インパクトアクチュエータ
【課題】インパクトアクチュエータにおいて、より円滑な移動と移動速度の向上、およびエネルギー効率の向上を実現する。
【解決手段】アクチュエータ１は、通電されることにより電磁力ｆ１に基づく衝撃の発生源となる電磁コイル２と、移動対象物９とともに移動する固定子３と、電磁力ｆ１により駆動される可動子４と、通電制御を行う制御装置５とを備える。制御装置５が電磁コイル２へ通電して移動対象物９を移動させる方向に可動子４を移動させ、可動子４が固定子３に衝突して固定子３を介して移動対象物９に衝撃を与える。制御装置５は、固定子３が移動対象物９とともに移動して停止すると見込まれる時間より前のタイミングで電磁コイル２へ前記とは逆方向へ通電する。移動対象物９の移動中に電磁コイル２への通電方向を逆方向にするので、可動子４を後退させるときの反動を移動対象物９の移動に寄与させることができ、より円滑な移動と速度向上を実現できる。
【解決手段】アクチュエータ１は、通電されることにより電磁力ｆ１に基づく衝撃の発生源となる電磁コイル２と、移動対象物９とともに移動する固定子３と、電磁力ｆ１により駆動される可動子４と、通電制御を行う制御装置５とを備える。制御装置５が電磁コイル２へ通電して移動対象物９を移動させる方向に可動子４を移動させ、可動子４が固定子３に衝突して固定子３を介して移動対象物９に衝撃を与える。制御装置５は、固定子３が移動対象物９とともに移動して停止すると見込まれる時間より前のタイミングで電磁コイル２へ前記とは逆方向へ通電する。移動対象物９の移動中に電磁コイル２への通電方向を逆方向にするので、可動子４を後退させるときの反動を移動対象物９の移動に寄与させることができ、より円滑な移動と速度向上を実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衝撃を与えることにより移動対象物を移動させるインパクトアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電磁気的作用に基づく衝撃すなわちインパクトを物体に反復付与してその物体を移動させる駆動装置がある。小さな衝撃であっても反復付与することにより、物体を移動させることができ、また、小さな衝撃の場合に、そのこと故に高精度の位置制御ができる利点もある。衝撃発生の方法として、電歪素子を用いるものや、渦電流を用いるものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。渦電流は、例えば、アルミニューム板などの金属板の近くに配置した電磁コイルに電流を流した際に、金属板に渦状に流れる電流である。電磁コイルに衝撃電流を流したとき、電磁コイルによる磁場と金属版に誘起される渦電流との相互作用によって、金属板を跳ね返す反発力が発生する。反発された金属板を物体に衝突させることにより金属板を介して物体に衝撃を与えることができる。このような駆動装置をマイクロマニピュレータに適用し、そのマイクロマニピュレータによって微小器具を卵細胞内へ挿入するようにした装置などが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−６０５８２号公報
【特許文献２】特公平５−８０６８５号公報
【特許文献３】特開２００３−２５２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１〜３に示される駆動装置は、反復付与する衝撃を発生する電磁気的作用を衝撃発生の各反復周期内において制御するものではなく、移動速度が遅く、また、エネルギー効率が悪いという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題を解消するものであって、移動対象物のより円滑な移動と移動速度の向上、およびエネルギー効率の向上を実現できるインパクトアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するために、本発明のインパクトアクチュエータは、摩擦力により移動が制動されている移動対象物に衝撃を与えることにより移動対象物を移動させるインパクトアクチュエータにおいて、アクチュエータは、通電されることにより電磁力に基づく衝撃の発生源となる電磁コイルと、移動対象物とともに移動する固定子と、電磁コイルの電磁力により駆動されて固定子に対して相対移動する可動子と、電磁コイルへの通電制御を行う制御装置と、を備え、制御装置が電磁コイルへ通電することにより移動対象物を移動させる方向に可動子を移動させ、可動子が固定子に衝突することにより固定子を介して移動対象物に衝撃を与え、制御装置は、固定子が移動対象物とともに移動して停止すると見込まれる時間より前のタイミングで電磁コイルへ前記とは逆方向へ通電することを特徴とする。
【０００７】
このインパクトアクチュエータにおいて、制御装置は、可動子が固定子に衝突した後に、前記とは逆方向へ通電するようにしてもよい。
【０００８】
このインパクトアクチュエータにおいて、制御装置は、可動子が固定子に衝突したときに、前記とは逆方向へ通電するようにしてもよい。
【０００９】
このインパクトアクチュエータにおいて、制御装置は、可動子が固定子に衝突する前に、前記とは逆方向へ通電するようにしてもよい。
【００１０】
このインパクトアクチュエータにおいて、制御装置は、可動子が固定子に衝突する前の加速中に、移動対象物が摩擦力に抗して移動しないように電磁コイルへの通電制御を行うようにしてもよい。
【００１１】
このインパクトアクチュエータにおいて、移動対象物を移動させる方向における固定子がある側とは反対側に、可動子の移動範囲を制限するストッパを備え、制御装置は、可動子がストッパに衝突しないように電磁コイルへの通電制御を行うことが好ましい。
【００１２】
このインパクトアクチュエータにおいて、制御装置は、電磁コイルが固定子に電磁力を及ぼすことにより発生する電磁コイルの電流回路のインピーダンスの変化に基づいて前記とは逆方向へ通電するようにしてもよい。
【００１３】
また、本発明のインパクトアクチュエータは、摩擦力により移動が制動されている移動対象物に衝撃を与えることにより移動対象物を移動させるインパクトアクチュエータにおいて、アクチュエータは、通電されることにより電磁力に基づく衝撃の発生源となる電磁コイルと、移動対象物とともに移動する固定子と、電磁コイルの電磁力によって固定子に対して相対移動する可動子と、電磁コイルへの通電制御を行う制御装置と、可動子を移動対象物を移動させる方向とは逆方向に付勢する弾性体からなる付勢手段と、を備え、制御装置が電磁コイルへ通電することにより、付勢手段の付勢力に抗して、移動対象物を移動させる方向に可動子を移動させ、可動子が固定子に衝突することにより固定子を介して移動対象物に衝撃を与え、制御装置は、固定子が移動対象物とともに移動して停止すると見込まれる時間より前のタイミングで付勢手段による付勢力が電磁コイルの電磁力に対して優勢となるように電磁コイルへの通電を弱めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のインパクトアクチュエータによれば、固定子および移動対象物の移動中に、電磁コイルへの通電方向を逆方向にするので、可動子を後退させるときの反動を移動対象物の移動に寄与させることができ、より円滑な移動と移動速度の向上を実現できる。また、摩擦によって制動されている移動対象物を、より摩擦力の小さい動摩擦のもとで効率的に移動させることができるので、エネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係るインパクトアクチュエータの動作中の側面図、（ｂ）は同アクチュエータの衝撃発生後の側面図。
【図２】（ａ）は同アクチュエータの動作例を説明するフローチャート、（ｂ）は同アクチュエータの他の動作例を説明する部分フローチャート、（ｃ）は同アクチュエータのさらに他の動作例を説明する部分フローチャート。
【図３】（ａ）は図２（ａ）の動作例に対応する可動子の動作のタイムチャート、（ｂ）は同動作例に対応する電磁コイルの動作のタイムチャート、（ｃ）は同動作例に対応する移動対象物の動作のタイムチャート。
【図４】（ａ）は図２（ｂ）の動作例に対応する可動子の動作のタイムチャート、（ｂ）は同動作例に対応する電磁コイルの動作のタイムチャート、（ｃ）は同動作例に対応する移動対象物の動作のタイムチャート。
【図５】（ａ）は図２（ｃ）の動作例に対応する可動子の動作のタイムチャート、（ｂ）は同動作例に対応する電磁コイルの動作のタイムチャート、（ｃ）は同動作例に対応する移動対象物の動作のタイムチャート。
【図６】（ａ）は図２（ａ）の動作例に対応する可動子の速度、電磁コイルへの通電電流、および移動対象物の速度の時間変化のグラフ、（ｂ）は同動作例に対する比較例を示すグラフ。
【図７】（ａ）は図２（ｂ）の動作例に対応する可動子の速度、電磁コイルへの通電電流、および移動対象物の速度の時間変化のグラフ、（ｂ）は図２（ｃ）の動作例に対応する可動子の速度、電磁コイルへの通電電流、および移動対象物の速度の時間変化のグラフ、（ｃ）は（ｂ）の変形例を示すグラフ。
【図８】他の実施形態に係るインパクトアクチュエータの側面図。
【図９】（ａ）は同アクチュエータにおける電磁コイルの電磁力が可動子に斥力を及ぼす様子示す断面図、（ｂ）は同電磁力が引力の場合の断面図。
【図１０】同アクチュエータによる駆動時に電磁コイルへ通電する電流の波形図。
【図１１】同アクチュエータによる逆方向の駆動時に電磁コイルへ通電する電流の波形図。
【図１２】さらに他の実施形態に係るインパクトアクチュエータの側面図。
【図１３】同アクチュエータにおける電磁コイルの動作を示す断面図。
【図１４】同アクチュエータの変形例における電磁コイルの動作を示す断面図。
【図１５】さらに他の実施形態に係るインパクトアクチュエータの側面図。
【図１６】（ａ）は同アクチュエータにおける衝撃発生前の断面図、（ｂ）は同アクチュエータにおける衝撃発生時の断面図。
【図１７】同アクチュエータの変形例を示す断面図。
【図１８】（ａ）は図２（ａ）の動作例の変形例を示すフローチャート、（ｂ）は同動作例の他の変形例を示すフローチャート。
【図１９】（ａ）は図１８（ａ）の動作例に対応する可動子の速度、電磁コイルへの通電電流、および移動対象物の速度の時間変化のグラフ、（ｂ）は図１８（ｂ）の動作例に対応する可動子の速度、電磁コイルへの通電電流、および移動対象物の速度の時間変化のグラフ。
【図２０】さらに他の実施形態に係るインパクトアクチュエータの電気回路的な構成図。
【図２１】同アクチュエータの電磁コイルに通電したときの電圧と電流の時間変化のグラフ。
【図２２】同アクチュエータの動作例を説明するフローチャート。
【図２３】（ａ）〜（ｆ）はさらに他の実施形態に係るインパクトアクチュエータの動作例を時系列的に示す側面図。
【図２４】実施例の条件を説明するための、電磁コイルへの通電電流の時間変化グラフ。
【図２５】複数条件の下で測定した可動子の速度の時間変化グラフ。
【図２６】図２５のグラフに対応する条件の下で測定した固定子（移動対象物）の速度の時間変化グラフ。
【図２７】図２６の測定データから求めた固定子（移動対象物）の移動距離の時間変化グラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係るインパクトアクチュエータについて、図面を参照して説明する。図１乃至図７は、本発明の実施形態に係るインパクトアクチュエータ（以下、単にアクチュエータとも称する）を示す。アクチュエータ１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、移動対象物９に取り付けられて用いられるものであり、電磁コイル２と、固定子３と、可動子４と、制御装置５とを備えている。移動対象物９は、摩擦面Ｓに配置されて摩擦力により移動が制動されており、例えば、前進方向（図中Ｘ軸の正方向）の衝撃を反復して与えられることにより、摩擦力に抗して前進移動する。電磁コイル２は、通電されることにより電磁力に基づく衝撃の発生源となる。制御装置５は、不図示の電源からの電流を電磁コイル２へ印加する通電制御を行う。
【００１７】
固定子３は、例えば円板形状であり、その一面側を移動対象物９のＸ軸の負方向に面する面に固定されている。従って、固定子３は移動対象物９とともに移動する。固定子３の他面には、Ｘ軸に沿って伸びるガイド軸３１の一端が固定されている。可動子４は、リング状平板であり、その中心にガイド軸３１が挿通されている。可動子４は、ガイド軸３１に沿って移動自在であり、電磁コイル２の電磁力により駆動されて固定子３に対して相対移動する。電磁コイル２は、その中心軸がガイド軸３１の中心軸と一致しており、コイルの中心においてガイド軸３１方向の磁場を発生する。電磁コイル２は、ガイド軸３１の他端側に固定されており、ガイド軸３１の一端側に位置する固定子３と共に、可動子４の移動範囲を制限するストッパを構成する。
【００１８】
可動子４は、電磁コイル２の電磁力すなわち磁気力により駆動されるものであればよく、例えば、永久磁石、磁性体、導電体などで構成される。永久磁石は電磁コイル２の磁気力との相互作用によって、引力または斥力を受ける。磁性体は、電磁コイル２の磁気力によって、引力を受ける。導電体は、渦電流が発生することによって、電磁コイル２の磁気力による斥力を受ける。磁性体と導電体は、磁気力からは一方向の力しか受けないので、バネなどの弾性体による付勢力を援用することにより、可動子４に往復方向の移動をさせることができる。
【００１９】
次に、アクチュエータ１の動作を説明する。アクチュエータ１は、制御装置５が電磁コイル２へ通電することにより移動対象物９を移動させる方向に可動子４を移動させ、可動子４が固定子３に衝突することにより固定子３を介して移動対象物９に衝撃を与えて、移動対象物９を移動させる。そこでまず、図１（ａ）に示すように、可動子４が、電磁コイル２の電磁力ｆ１によって加速されて、電磁コイル２側から固定子３側に向けて、速度ｖ１で前進移動しているものとする。電磁コイル２は、電磁力ｆ１の反作用として、反力Ｒ１を受けている。この反力Ｒ１は、電磁コイル２が、ガイド軸３１、固定子３、および移動対象物９と一体となっているので、これら全体を速度ｖ１の逆方向（後退方向、Ｘ軸の負方向）に移動させる力となる。しかしながら、反力Ｒ１は、摩擦面Ｓから受ける摩擦力（静止摩擦力）が最大静止摩擦力を超えない範囲において摩擦力とつりあい、移動対象物９の後退移動は阻止され、摩擦面Ｓに対して、可動子４の前進移動だけが発生する。
【００２０】
可動子４は、図１（ｂ）に示すように、固定子３に衝突した後、その衝撃力が摩擦面Ｓの最大静止摩擦力を超えることにより、移動対象物９が速度Ｖで前進移動し、可動子４は固定子３から跳ね返って、速度ｖ２で後退移動する。電磁コイル２は、移動対象物９が速度Ｖで前進移動し、可動子４が後退移動している間に、可動子４に電磁力ｆ２を作用させて後退移動を加速（逆加速という）する。すると、電磁力ｆ２の反作用としての反力Ｒ２が、移動対象物９を前進移動させる力となる。移動対象物９は、静止摩擦力よりも小さい動摩擦力の下で移動しているので、反力Ｒ２が有効に作用して、移動対象物９の前進移動が促進される。このような促進は、言い換えれば、制御装置５は、固定子３が移動対象物９とともに移動して停止すると見込まれる時間より前のタイミングで電磁コイル２へ、それまでとは逆方向へ通電することによって実現される。
【００２１】
可動子４は、ストッパとしての電磁コイル２に過度の衝撃を与える衝突、つまり、移動対象物９を後退させてしまう衝突をしないように、電磁コイル２によって、逆加速の状態から減速状態（制動状態）とされ、その後、停止状態（速度ゼロ）とされる。一旦速度ゼロとされた可動子４は、図１（ａ）の状態に戻って、反復動作が繰り返される。逆加速の状態から減速するには、電磁コイル２の電磁力によるほか、バネなどの弾性体によるダンパを用いることができる。制御装置５は、電磁コイル２の電磁力によって加速、逆加速、減速などを行う目的をもって、各反復動作の周期内で電磁コイル２へ通電する電流または印加する電圧を制御する。
【００２２】
次に、可動子４を逆加速するタイミングについて説明する。制御装置５は、固定子３が移動対象物９とともに移動して停止すると見込まれる時間（すなわち、時刻）より前のタイミングで電磁コイル２へ、それまでとは逆方向へ通電する。その停止すると見込まれる時間は、アクチュエータ１を使用する際の条件に基づいて、例えば、可動子４が固定子３に衝突してから何ミリ秒後、などのように見込むことができる。また、可動子４が固定子３に衝突する時間すなわち衝突時刻は、予め測定した電磁コイル２や可動子４の動作特性から、例えば、電磁コイル２への通電を開始した時刻から何ミリ秒後、などのように設定することができる。また、加速度センサをアクチュエータ１または移動対象物９に備えて、固定子３と可動子４の衝突の瞬間を動的に直接検出してもよい。さらに、このような加速度センサによって、移動対象物９が停止するタイミングを、移動対象物９に衝撃を与える反復動作の中で毎回検出して、制御装置５がそのタイミングを通電制御にフィードバックするようにしてもよい。また、停止すると見込まれる時間より前のタイミングとして、可動子４と固定子３の衝突事象に注目すると、衝突時と、衝突後と、衝突前とにおけるタイミングが考えられる。また、アクチュエータ１は、衝突事象の発生によって動作するものであるから、衝突前におけるタイミングは、当然に衝突前の所定の時間範囲内に限定される。
【００２３】
図２（ａ）は、衝突時に、それまでとは逆方向へ通電する場合のアクチュエータ１の動作を示す。アクチュエータ１が、移動対象物９を前進移動させる駆動動作を開始すると、制御装置５が電磁コイル２に通電し、可動子４が加速される（Ｓ１）。可動子４と固定子３の衝突発生がなければ加速が繰り返され（Ｓ２でＮＯ）、衝突があれば（Ｓ２でＹＥＳ）、電磁コイル２は、それまでとは逆方向へ通電される（Ｓ３）。制御装置５は、電磁コイル２への通電を制御して、可動子４の後退移動の速度を減速し、ストッパとしての電磁コイル２側で可動子４の速度をゼロとする（Ｓ４）。アクチュエータ１の駆動が続行される場合は、最初のステップ（Ｓ１）からの動作が繰り返され（Ｓ５でＹＥＳ）、駆動が続行されない場合は処理が終了する（Ｓ５でＮＯ）。図２（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、衝突後と衝突前に、それまでとは逆方向へ通電する場合の動作を示し、逆方向へ通電するタイミングを判定するステップ（Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ）が図２（ａ）とは異なり、他は同様である。
【００２４】
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、逆方向へ通電するタイミングを衝突時とする場合における、可動子４の速度ｖ、電磁コイル２の電磁力、および移動対象物９の速度Ｖについて、互いの時間的関係を示したタイムチャートである。アクチュエータ１の反復駆動動作の周期をＴとし、２周期分が図示されている。可動子４は、図３（ａ）に示すように、周期Ｔの始めから前進移動を開始し、衝突時刻ｔ０において、速度が反転されて後退移動を行い、周期Ｔ内で停止している。電磁力は、図３（ｂ）に示すように、周期Ｔの始めから可動子４を加速し、衝突時刻ｔ０において反転されて可動子４の後退移動を加速している。すなわち、電磁コイル２は、衝突時刻ｔ０と同じタイミングｔａにおいて、それまでとは逆方向へ通電されている。なお、可動子４は、反復動作のため周期Ｔ内で速度ｖ＝０とする必要があり、電磁力は適宜にゼロとされる。さらに、可動子４の速度を減速するために、電磁力を減速のために用いるか（タイムチャートには不図示）、または、ダンパなどによる減速力が用いられる。移動対象物９は、図３（ｃ）に示すように、衝突時刻ｔ０から移動を開始し、周期Ｔ内で停止する。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）と図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ逆方向へ通電するタイミングを衝突後および衝突前とする場合について、図３と同様に示しており、説明は省略する。
【００２５】
図６（ａ）は、逆方向へ通電するタイミングを衝突時とする場合における、可動子４の速度ｖ（ｖ１とｖ２）、電磁コイル２への通電電流Ｊ、および移動対象物９の速度Ｖの時間変化を示す。電流Ｊは、矩形波状に通電されている。この通電と共に、可動子４の前進方向の速度ｖ１が立ち上がる。可動子４に一定の加速度のみが作用している理想的な場合には、速度ｖ１の時間変化グラフは、下に凸の放物線波形の一部となるが、電磁コイル２の電磁力が場所によって変化するなどの要因により、放物線にはなっていない。可動子４が固定子３に衝突する時刻ｔ０に、通電方向が切り替えられ、電流Ｊの向きが切り替えられている。時刻ｔ０において、可動子４は、衝突後の初速度に、逆方向への通電による加速度の効果を加えた速度ｖ２のもとで、後退移動する。移動対象物９の速度Ｖは、衝突時にＶ＝０から立ち上がり、摩擦力の制動を受けて、再び速度Ｖ＝０となる。移動対象物９の移動距離は、速度Ｖのグラフによって囲まれる面積で表される。図中の速度Ｖ０は、以下に説明する。
【００２６】
図６（ｂ）は、逆方向へ通電するタイミングを、移動対象物９の停止時（時刻ｔａ）とする比較例における、速度ｖ（ｖ１とｖ２）、通電電流Ｊ、および移動対象物９の速度Ｖ０の時間変化を示す。可動子４は、時刻ｔ０における固定子３との衝突により、向きが反転した速度ｖ２を有する。しかしながら、可動子４の後退移動中においても、電磁コイル２にはもとの方向への通電が行われており、時刻ｔａまでは、速度ｖ２に対する減速が行われる。この減速のために可動子４に作用する電磁力の反作用（反力）は、電磁コイル４、従ってこれと一体になった移動対象物９の移動を減速させることになる。例えば、上述の図１（ａ）において、速度ｖ１の向きを逆向きにして速度ｖ２に置き換え、さらに移動対象物９が速度Ｖ０で移動している状況を想定すればよい。このように想定した状況において、反力Ｒ１は、移動対象物９の移動速度Ｖ０を減速する。この場合の移動対象物９の移動距離は、速度Ｖ０のグラフによって囲まれる面積であり、その面積は上述の図６（ａ）における速度Ｖのグラフによって囲まれる面積よりも小さい。つまり、図６（ａ）における移動対象物９の移動距離は、図６（ｂ）の比較例の場合の移動距離に比べて大きくなっている。
【００２７】
図７（ａ）（ｂ）は、逆方向へ通電するタイミングを、それぞれ、衝突後および衝突前とする場合における、速度ｖ（ｖ１とｖ２）、通電電流Ｊ、および速度Ｖの時間変化を示す。また、電磁コイル２へ、それまでとは逆方向へ通電する目的は、可動子４を逆加速する時間帯を発生させることにより移動対象物９の前進移動を促進することにあるので、逆方向へ通電は、通電を一旦休止した後に行ってもよい。例えば、図７（ｃ）に示すように、衝突前の時刻ｔａに電流Ｊを一端停止してＪ＝０を維持し、その後、衝突時の時刻ｔ０に、それまでとは逆方向の通電を行うようにしてもよい。これらの、いずれの場合においても、可動子４の逆加速の効果により、移動対象物９の移動距離を増すことができる。
【００２８】
次に、図８乃至図１１を参照して、アクチュエータ１の、より具体的な構成例を説明する。図８に示すように、本実施形態のアクチュエータ１は、図１に示したアクチュータ１において、可動子４を永久磁石としたものである。電磁コイル２は、コイル枠に納められ、その中心軸上に配置されたガイド軸３１によって固定子３に一体化されている。可動子４は、ドーナツ円板状であって、中心側から外周側に向けて半径方向に磁化されている。本例の場合、中心側がＳ極で外周側がＮ極であるが、逆極性とすることができる。このような可動子４は、電磁コイル２に流れる電流の向きによって、図９（ａ）に示すように、斥力を受けたり、図９（ｂ）に示すように、引力を受けたりする。
【００２９】
アクチュエータ１の動作を説明する。移動対象物９は、可動子４が左方の電磁コイル２に衝突することによって左方に移動され、可動子４が右方のストッパ４に衝突することによって右方に移動される。すなわち、アクチュエータ１は、そのガイド軸３１方向のいずれの方向へも、選択的に、移動対象物９を移動させることができる双方向駆動のアクチュエータである。移動対象物９を左方に移動させる場合には、可動子４が右方の固定子３に過度の衝撃で衝突しないように電磁コイル２からの磁気力を可動子４に及ぼす必要がある。逆に、移動対象物９を右方に移動させる場合には、可動子４が電磁コイル２に衝突しないように電磁コイル２からの磁気力を可動子４に及ぼす必要がある。制御装置５は、電磁コイル２と可動子４の相対移動の一方向において衝突を発生させ、その一方向とは反対方向において衝突を回避させると共に相対移動の方向を反転させて一方向における衝撃を反復発生させるように、電磁コイル２に通電する電流を時間制御する。
【００３０】
次に、移動対象物９を右方（Ｘ軸の正方向）に移動させる場合のアクチュエータ１の動作を説明する。初期状態において、可動子４は電磁コイル２に接触して静止しているものとする。図１０に示すように、時間ｔ１ではコイル電流Ｊはゼロであり、移動対象物９は静止している。コイル電流Ｊが、時間ｔ２におけるように、漸増した後、一定値となるように流されると、可動子４は電磁コイル２から斥力を受けて固定子３に近づき、その間、斥力によって加速され続けて、最終的に固定子３に衝突する。衝撃力を大きくするには、加速する時間が長いほどよいが、時間ではなくコイル電流Ｊの大きさを、可動子４が離反する移動時よりも衝突する移動時に、より大きくするようにしてもよい。時間ｔ２の始めにコイル電流Ｊを漸増するのは、急激な離反の反動によって移動対象物９が左方へ移動するのを抑制するためである。時間ｔ３では極性を反転したコイル電流Ｊが流され、可動子４が固定子３側から引き戻される。可動子４が電磁コイル２に到達する前に、時間ｔ４において極性を戻したコイル電流Ｊが流され、減速とその後の加速の後、可動子４が固定子３側に、再び衝突する。時間ｔ５以降の動作は時間ｔ３，ｔ４における動作の繰り返しであり、その反復動作によって、移動対象物９が右方へ移動する。通電方向の切り替えタイミングｔａは、本例では、衝突のタイミングｔ０と同じに設定されており、時間ｔ２と時間ｔ３の境界に位置している。また、このタイミングｔａは、移動対象物９が移動停止する前のタイミングに設定されている。時間ｔ４における初期段階の通電による電磁力は、可動子４が電磁コイル２側に衝突しないように可動子４の速度を減速するための、制動力として用いられる。
【００３１】
次に、移動対象物９を左方（Ｘ軸の負方向）に移動させる場合について説明する。初期状態において、可動子４は電磁コイル２に接触して静止しているものとする。図１１に示すように、時間ｔ１ではコイル電流Ｊはゼロであり、移動対象物９は静止している。時間ｔ２におけるように、一定値のコイル電流Ｊが流されると、可動子４は電磁コイル２から斥力を受けて固定子３に近づく。可動子４が固定子３に到達する前に、極性を反転したコイル電流Ｊが時間ｔ３において流され、可動子４は電磁コイル２から引力を受けて、減速とその後の加速により、電磁コイル２に引き戻される。可動子４は、時間ｔ３における移動中に、引力によって移動速度が加速され続け、時間ｔ４では電流ＪがＪ＝０とされ、時間ｔ４の終わりで、最終的に電磁コイル２に衝突する。可動子４が電磁コイル２に衝突したタイミングｔ０において、Ｊ＝０とされる以前の電流の向きからコイル電流Ｊの極性が反転され、時間ｔ５の間、そのコイル電流Ｊが流される。時間ｔ３と時間ｔ４の境界に位置するタイミングｔａにおいて電流ＪがＪ＝０とされ、通電を一旦休止する通電制御は、上述の図７（ｃ）に示した制御と同様である。ただし、図１１と図７（ｃ）とでは、移動対象物９の移動方向が逆に設定されており、電流Ｊの向きも、互いに逆になっている。時間ｔ３における初期段階の通電による電磁力は、可動子４が固定子３側に衝突しないように可動子４の速度を減速するための、制動力として用いられる。時間ｔ５以降の動作は上述の時間ｔ３，ｔ４，ｔ５の繰り返しであり、その反復動作により、移動対象物９が左方へ移動する。
【００３２】
次に、図１２、図１３、図１４を参照して、さらに他のアクチュエータを説明する。図１２に示すように、このアクチュエータ１は、図１のアクチュエータ１において、可動子４を電磁コイル２で構成し、固定子３を永久磁石で構成したものである。アクチュエータ１は、双方向駆動の構成とされており、可動子４の両側に固定子３（以下、永久磁石３とも称する）が設けられている。これらの２つの永久磁石３は、一方が可動子４に対する被衝突体となる際に、他方がストッパとなる。円板状の２つの永久磁石３は、互いに離間して同軸配置されガイド軸３１の両端に固定されている。電磁コイル２は、コイル枠に納められ、中心軸上をガイド軸３１によって挿通されてガイド軸３１に沿って移動自在とされている。電磁コイル２は、電磁コイル２への通電によって生じる電磁作用によって、２つの永久磁石３に対して相対移動する。その相対移動の範囲は両端の永久磁石３によって制限されている。各永久磁石３は、中心側から外周側に向けて半径方向に磁化されている。本例の場合、中心側がＳ極で外周側がＮ極であるが、逆極性とすることができる。
【００３３】
アクチュエータ１の動作を説明する。上述のような永久磁石３の間に挟まれた電磁コイル２は、通電されると、図１３に示すように、一方の永久磁石３から斥力を受け、他方の永久磁石３から引力を受ける。従って、電磁コイル２は、電磁コイル２に流れる電流の向きによって、Ｘ軸方向またはその反対方向に移動方向を選択することができる。そこで、制御装置５によって、電磁コイル２のコイル電流を時間制御することにより、電磁コイル２を左方の永久磁石３に衝突させて移動対象物９を左方に移動させることができ、同様に、移動対象物９を右方に移動させることができる。制御装置５は、電磁コイル２と永久磁石３の相対移動の一方向において衝突を発生させ、その一方向とは反対方向において衝突を回避させると共に相対移動の方向を反転させて一方向における衝撃を反復発生させるように電磁コイル２への通電電流を時間制御する。このような制御を繰り返すことにより、移動対象物９を右方または左方へパルス的に移動させることができる。電磁コイル２への通電制御において、電流Ｊの切り替えタイミングｔａの設定は、上述の図２に示した場合と同様である。
【００３４】
図１４は、図１２に示したアクチュエータ１の変形例を示す。この変形例における永久磁石３は、図１２に示したアクチュエータ１における永久磁石３の磁化方向とは異なり、円板の厚み方向に磁化されている。このような永久磁石３を互いに磁化方向を揃えて配置し、電磁コイル２に通電すると、一方の永久磁石３から斥力を受け、他方の永久磁石３から引力を受ける。従って、この変形例は、図１２に示したアクチュエータ１と同様の動作をすることができる。
【００３５】
次に、図１５乃至図１７を参照して、さらに他のアクチュエータを説明する。アクチュエータ１は、図１５に示すように、ガイド軸３１の両端に固定子３として電磁コイル２を備え、両固定子３の間に永久磁石からなる２つの可動子４を備え、２つの可動子４の間に弾性体６を備えている。各可動子４は、それぞれ少なくとも弾性体６の伸縮する範囲内でガイド軸３１の軸方向に沿って移動自在に構成されている。各電磁コイル２は、ガイド軸３１によって一体化され、それぞれコイル枠に納められている。弾性体６は、アクチュエータ１が非駆動状態のとき、各可動子４を電磁コイル２に近接させるように伸張している。弾性体６は、例えばコイルバネや板バネによって構成することができ、ゴムなどを用いて構成することができる。アクチュエータ１は、電磁コイル２と可動子４を１つづつ含む組を、ガイド軸３１に沿って弾性体６の両側に、互いに対称配置および対称構成となるように備えている。すなわち、アクチュエータ１は、ガイド軸３１方向のいずれの方向へも、選択的に、移動対象物９を移動させることができる双方向駆動のアクチュエータである。互いに隣接する電磁コイル２と可動子４（永久磁石）との間の相互作用は、上述の図９（ａ）（ｂ）によって示した相互作用と同様であり、互いに引力や斥力を及ぼしあう。
【００３６】
アクチュエータ１の動作を説明する。アクチュエータ１は、例えば、移動対象物９を右方に移動させる場合、右方の電磁コイル２と可動子４の組を動作させる。この場合、アクチュエータ１は、図１６（ａ）に示すように、右方の可動子４に斥力を与えるように、右方の電磁コイル２に電流を流し、その後電流をオフする。すると、右方の可動子４は、弾性体６によって受け止められた後、圧縮された弾性体６の伸張力によって跳ね返されて、図１６（ｂ）に示すように、右方の電磁コイル２（固定子３）に衝突する。このような動作を繰り返すことにより、移動対象物９を右方に移動させることができる。弾性体６は、その付勢力によって、可動子４の減速を行うものであり、電磁力によって可動子４の減速を行う電磁コイル２の役割を分担する。このようなアクチュエータ１においても、電磁コイル２への通電制御において、電流Ｊの切り替えタイミングｔａの設定は、上述の図２に示した場合と同様である。
【００３７】
図１７は、さらに他のアクチュエータ１を示す。このアクチュエータ１は、図１５に示したアクチュエータ１において、永久磁石からなる可動子４を導電体からなる可動子に置き換えたものである。このアクチュエータ１は、電磁コイル２への通電によって導電体（可動子４）に発生する渦電流に起因して発生する反発力によって、可動子４を反発移動させる。可動子４は、弾性体６を圧縮し、弾性体６の伸張力によって押し戻されて固定子３（電磁コイル２）に衝突し、移動対象物９が移動される。電磁コイル２への通電制御は、必要な渦電流とこれに起因する反発力とが得られるように電流を一気に流すように制御し、可動子４（導電体）と電磁コイル２との衝突が邪魔されないように通電をオフする制御を行えばよい。
【００３８】
次に、図１８、図１９を参照して、制御装置５による通電制御について、さらに説明する。アクチュエータ１は、移動対象物９に衝撃を反復して付与する際に、円滑かつ効率的に移動させるため、各反復動作の周期Ｔの始めと終わりとにおいて、より詳細に通電制御する必要がある。例えば、図１８（ａ）に示すように、可動子４を加速するステップ（Ｓ１）の前に、可動子４を徐々に加速するステップ（Ｓ０）を設けたり、図１８（ｂ）に示すように、後退移動する可動子４を段階的減速したり徐々に減速したりする（Ｓ４ａ）。これらの通電制御の処理は、例えば、図１９（ａ）に示すように、電流Ｊを滑らかに立ち上がる電流波形にする制御や、図１９（ｂ）に示すように、電流Ｊの通電方向の切り替えを行った後に、電流Ｊ１，Ｊ２という２段階でＪ＝０に導く制御によって行われる。周期Ｔの始めの通電制御は、可動子４が固定子３に衝突する前の加速中に移動対象物９が摩擦力に抗して移動（これは、意図した向きとは逆向きの移動）しないようにすることを目的として行われる制御である。周期Ｔの終わりの通電制御は、通電方向の切り替え後に、可動子４が移動対象物９を移動させる方向とは反対側にあるストッパ（例えば、図１における電磁コイル２）に衝突しないようにすることを目的として行われる制御である。この場合のストッパへの衝突も、意図した向きとは逆向きの移動を発生させるので、この衝突を回避させることが効率的移動にとって有効である。
【００３９】
次に、図２０、図２１、図２２を参照して、さらに他のアクチュエータを説明する。アクチュエータ１は、図２０に示すように、電源２０によって通電される電磁コイル２を含む電流回路のインピーダンスＺを測定する測定回路２１を備えており、制御装置５は、測定回路２１によって測定されたインピーダンスＺの変化に基づいて通電制御を行う。電磁コイル２が、その電磁力を可動子４に及ぼす際に、電磁コイル２は、可動子４から電磁気的な相互作用を受ける。例えば、電磁コイル２に逆起電力が発生し、その逆起電力の効果により、図２１に示すように、電磁コイル２を含む電流回路のインピーダンスＺに変化（例えば、波形における変曲点Ｐ）が現れる。従って、このようなインピーダンスＺの変化から、可動子４と固定子３との衝突事象の前か後かなどについて、アクチュエータ１の知見が得られ、その知見に基づいてタイミングｔａの設定、すあんわち電磁コイル２の通電制御を行うことができる。このような知見は、予め実験的測定によって得ることもでき、また、アクチュエータ１の動作中にリアルタイムで得ることもできる。
【００４０】
図２２は、上述のインピーダンス計測による通電制御の例を示す。制御装置５は、電磁コイル２に通電して可動子４を加速すると共に（＃１）、測定回路２１によってインピーダンスＺを測定する（＃２）。インピーダンスＺに所定の変化がなければ（＃３でＮＯ）、ステップ（＃１）からの処理が繰り返され、インピーダンスＺに所定の変化があれば（＃３でＹＥＳ）、電磁コイル２への逆方向への通電が行われる（＃４）。その後、ステップ（＃４，＃５，＃６）において、図２（ａ）に示した制御と同様の制御が行われる。
【００４１】
次に、図２３を参照して、さらに他のアクチュエータを説明する。アクチュエータ１は、ガイド軸３１の一端と他端それぞれ設けた電磁コイル２（固定子３）と、ストッパ７と、固定子３とストッパ７との間に設けた可動子４と、ストッパ７と可動子４とを互いに引き寄せる弾性体８と、不図示の制御装置５とを備えている。弾性体８は、可動子４を移動対象物９を移動させる方向とは逆方向に付勢する付勢手段であり、バネやゴムなどで構成される。可動子４は、磁性体からなり、ガイド軸３１に沿って移動自在であり、電磁コイル２の磁力による引力と弾性体８の収縮力による引力とを受ける。以下、アクチュエータ１の動作を説明する。
【００４２】
図２３（ａ）に示すように、アクチュエータ１の初期状態（駆動前の状態）において、可動子４は、弾性体８の付勢力によってストッパ７側に引き寄せられている。電磁コイル２に通電されると、図２３（ｂ）に示すように、可動子４は、電磁コイル２の電磁力ｆ１により、弾性体８の付勢力ｆｃに抗して、移動対象物９を移動させる方向（Ｘ軸の正方向、右方）、すなわち電磁コイル２側に速度ｖ１で加速移動される。この場合、可動子４は、ｆｃ＜ｆ１という条件のもとで、右方に移動する。力ｆｃの反作用となる力Ｒｃがストッパ７に作用し、力ｆ１の反作用となる力Ｒ１が電磁コイル２に作用している。力Ｒ１は、摩擦面Ｓからの静止摩擦力と釣り合っており、移動対象物９は静止している。なお、図中の力の大小関係を再掲すると、ｆｃ＜ｆ１，ｆｃ＝Ｒｃ，ｆ１＝Ｒ１，Ｒｃ＜Ｒ１である。
【００４３】
図２３（ｃ）に示すように、可動子４が固定子３としての電磁コイル２に衝突すると、図２３（ｄ）に示すように、移動対象物９が速度Ｖで右方へと移動し、可動子４は、左方に速度ｖ２で移動する。このとき、制御装置５は、固定子３が移動対象物９とともに移動して停止すると見込まれる時間より前のタイミングで、弾性体８による付勢力ｆｃが電磁コイル２の電磁力ｆ２に対して優勢となるように電磁コイル２への通電を弱める通電制御を行う。なお、図中の力の大小関係を再掲すると、ｆｃ＞ｆ２，ｆｃ＝Ｒｃ，ｆ２＝Ｒ２，Ｒｃ＞Ｒ１である。この場合、また、移動対象物９が速度Ｖで右方に移動しているので、摩擦面Ｓからの摩擦力による抗力は小さく、移動対象物９に作用している右方への力（０＜Ｒｃ−Ｒ１）が、移動対象物９を右方に移動させる力として有効に作用する。
【００４４】
制御装置５は、その後、図２３（ｅ）に示すように、適宜電磁コイル２への通電制御を行うことにより、図２３（ｆ）に示すように、ストッパ７に対して過度の衝撃を与えないように、可動子４を初期状態に復帰させる。ストッパ７に対する過度の衝撃とは、衝撃のために移動対象物９が左方に移動してしまうような衝撃のことである。なお、可動子４が、ストッパ７に対して適度の衝撃を与えるように衝突すると、その衝撃による可動子４の跳ね返りを利用することにより、次の駆動の周期における、移動対象物９の右方への移動動作をより円滑に進めることができる。
【００４５】
次に、図２４乃至図２７を参照して、アクチュエータ１の動作に関する実施例の測定値について説明する。図２４は、実施例の条件を説明するための、電磁コイル２への通電電流Ｊの時間変化グラフを示す。時刻ｔ＝０において電流Ｊがステップ状に印加され、その後、時間τの間、一定電流が維持され、時刻ｔ＝τ（すなわち、タイミングｔａ）において、電流Ｊが前記とは逆方向に通電されるものとする。実施例では、時間τを、τ＝２ｍｍｓ，４ｍｍｓ，５．６ｍｍｓ，７．５ｍｍｓ，１０ｍｍｓの５段階（それぞれ、ａ〜ｅで区別）に変化させた。なお、この実施例の測定において、可動子４の反復動作について評価することは、前提とされてない。従って、この実施例において、可動子４がストッパ側に過度の衝撃を与えないように、可動子４を減速する処理は行われていない。
【００４６】
図２５、図２６、図２７は、それぞれ、可動子４の速度ｖ、固定子３（移動対象物９）の速度Ｖ、速度Ｖの測定データから求めた固定子３（移動対象物９）の移動距離Ｘ（速度Ｖの時間積分値）の時間変化を示す。図２５において、τ＝２ｍｍｓ（グラフａ）の場合、速度ｖが十分加速されていないことが分かる。図２６、図２７において、ｂ〜ｅのグラフに負値が現れているのは、可動子４の移動開始時の反動が大き過ぎるからであり、これは、図２４に示したように、電流Ｊがステップ状に印加されることに原因がある。移動距離Ｘを示す図２７において、各グラフが、ピークを形成し、その後減少しているのは、移動対象物９が後戻りしていることを意味し、この後戻りは、この実施例において、可動子４を減速する処理を行わなかったことに起因する。図２７において、移動距離Ｘのピークは、τ＝５．６ｍｍｓ（グラフｃ）の場合に一番高く、この時間τを与えるタイミングｔａが最適のタイミングであることが分かる。また、τ＝２ｍｍｓ（グラフａ）の場合、逆方向への通電が早すぎて移動距離Ｘを減少させていることが分かる。
【００４７】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。本発明のアクチュエータは、上下左右任意の姿勢で用いることができる。また、摩擦面Ｓに載置された移動対象物に限らず、摩擦的な抗力（例えば、流体や砂などの擬似流体からの抵抗やラチェットなどの機械要素から受ける抵抗など）を受ける状態で位置が維持された移動対象物に対して、本アクチュエータを適用することができる。また、アクチュエータの構成は、可動子がガイド軸３１に沿って往復移動する構成に限らず、振り子型の移動をする構成とすることができる。例えば、電磁コイルと永久磁石とを互いに組み合わせてボイスコイル構造とし、永久磁石の両端側に一体化して非磁性体のストッパを備え、電磁コイルが、２つのストッパ間で永久磁石に対し相対移動自在に振り子振動をするアクチュエータを構成することができる。このアクチュエータにおいて、電磁コイルが、永久磁石から受ける電磁力によって２つのストッパのいずれか一方に衝突することにより衝撃が発生される。
【符号の説明】
【００４８】
１ インパクトアクチュエータ（アクチュエータ）
２ 電磁コイル
３ 固定子
４ 可動子
５ 制御装置
６ 弾性体
７ ストッパ
８ 弾性体（付勢手段）
９ 移動対象物
ｔａ 時刻（タイミング）
ｆ１，ｆ２ 電磁力（磁力）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衝撃を与えることにより移動対象物を移動させるインパクトアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電磁気的作用に基づく衝撃すなわちインパクトを物体に反復付与してその物体を移動させる駆動装置がある。小さな衝撃であっても反復付与することにより、物体を移動させることができ、また、小さな衝撃の場合に、そのこと故に高精度の位置制御ができる利点もある。衝撃発生の方法として、電歪素子を用いるものや、渦電流を用いるものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。渦電流は、例えば、アルミニューム板などの金属板の近くに配置した電磁コイルに電流を流した際に、金属板に渦状に流れる電流である。電磁コイルに衝撃電流を流したとき、電磁コイルによる磁場と金属版に誘起される渦電流との相互作用によって、金属板を跳ね返す反発力が発生する。反発された金属板を物体に衝突させることにより金属板を介して物体に衝撃を与えることができる。このような駆動装置をマイクロマニピュレータに適用し、そのマイクロマニピュレータによって微小器具を卵細胞内へ挿入するようにした装置などが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−６０５８２号公報
【特許文献２】特公平５−８０６８５号公報
【特許文献３】特開２００３−２５２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１〜３に示される駆動装置は、反復付与する衝撃を発生する電磁気的作用を衝撃発生の各反復周期内において制御するものではなく、移動速度が遅く、また、エネルギー効率が悪いという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題を解消するものであって、移動対象物のより円滑な移動と移動速度の向上、およびエネルギー効率の向上を実現できるインパクトアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するために、本発明のインパクトアクチュエータは、摩擦力により移動が制動されている移動対象物に衝撃を与えることにより移動対象物を移動させるインパクトアクチュエータにおいて、アクチュエータは、通電されることにより電磁力に基づく衝撃の発生源となる電磁コイルと、移動対象物とともに移動する固定子と、電磁コイルの電磁力により駆動されて固定子に対して相対移動する可動子と、電磁コイルへの通電制御を行う制御装置と、を備え、制御装置が電磁コイルへ通電することにより移動対象物を移動させる方向に可動子を移動させ、可動子が固定子に衝突することにより固定子を介して移動対象物に衝撃を与え、制御装置は、固定子が移動対象物とともに移動して停止すると見込まれる時間より前のタイミングで電磁コイルへ前記とは逆方向へ通電することを特徴とする。
【０００７】
このインパクトアクチュエータにおいて、制御装置は、可動子が固定子に衝突した後に、前記とは逆方向へ通電するようにしてもよい。
【０００８】
このインパクトアクチュエータにおいて、制御装置は、可動子が固定子に衝突したときに、前記とは逆方向へ通電するようにしてもよい。
【０００９】
このインパクトアクチュエータにおいて、制御装置は、可動子が固定子に衝突する前に、前記とは逆方向へ通電するようにしてもよい。
【００１０】
このインパクトアクチュエータにおいて、制御装置は、可動子が固定子に衝突する前の加速中に、移動対象物が摩擦力に抗して移動しないように電磁コイルへの通電制御を行うようにしてもよい。
【００１１】
このインパクトアクチュエータにおいて、移動対象物を移動させる方向における固定子がある側とは反対側に、可動子の移動範囲を制限するストッパを備え、制御装置は、可動子がストッパに衝突しないように電磁コイルへの通電制御を行うことが好ましい。
【００１２】
このインパクトアクチュエータにおいて、制御装置は、電磁コイルが固定子に電磁力を及ぼすことにより発生する電磁コイルの電流回路のインピーダンスの変化に基づいて前記とは逆方向へ通電するようにしてもよい。
【００１３】
また、本発明のインパクトアクチュエータは、摩擦力により移動が制動されている移動対象物に衝撃を与えることにより移動対象物を移動させるインパクトアクチュエータにおいて、アクチュエータは、通電されることにより電磁力に基づく衝撃の発生源となる電磁コイルと、移動対象物とともに移動する固定子と、電磁コイルの電磁力によって固定子に対して相対移動する可動子と、電磁コイルへの通電制御を行う制御装置と、可動子を移動対象物を移動させる方向とは逆方向に付勢する弾性体からなる付勢手段と、を備え、制御装置が電磁コイルへ通電することにより、付勢手段の付勢力に抗して、移動対象物を移動させる方向に可動子を移動させ、可動子が固定子に衝突することにより固定子を介して移動対象物に衝撃を与え、制御装置は、固定子が移動対象物とともに移動して停止すると見込まれる時間より前のタイミングで付勢手段による付勢力が電磁コイルの電磁力に対して優勢となるように電磁コイルへの通電を弱めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のインパクトアクチュエータによれば、固定子および移動対象物の移動中に、電磁コイルへの通電方向を逆方向にするので、可動子を後退させるときの反動を移動対象物の移動に寄与させることができ、より円滑な移動と移動速度の向上を実現できる。また、摩擦によって制動されている移動対象物を、より摩擦力の小さい動摩擦のもとで効率的に移動させることができるので、エネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係るインパクトアクチュエータの動作中の側面図、（ｂ）は同アクチュエータの衝撃発生後の側面図。
【図２】（ａ）は同アクチュエータの動作例を説明するフローチャート、（ｂ）は同アクチュエータの他の動作例を説明する部分フローチャート、（ｃ）は同アクチュエータのさらに他の動作例を説明する部分フローチャート。
【図３】（ａ）は図２（ａ）の動作例に対応する可動子の動作のタイムチャート、（ｂ）は同動作例に対応する電磁コイルの動作のタイムチャート、（ｃ）は同動作例に対応する移動対象物の動作のタイムチャート。
【図４】（ａ）は図２（ｂ）の動作例に対応する可動子の動作のタイムチャート、（ｂ）は同動作例に対応する電磁コイルの動作のタイムチャート、（ｃ）は同動作例に対応する移動対象物の動作のタイムチャート。
【図５】（ａ）は図２（ｃ）の動作例に対応する可動子の動作のタイムチャート、（ｂ）は同動作例に対応する電磁コイルの動作のタイムチャート、（ｃ）は同動作例に対応する移動対象物の動作のタイムチャート。
【図６】（ａ）は図２（ａ）の動作例に対応する可動子の速度、電磁コイルへの通電電流、および移動対象物の速度の時間変化のグラフ、（ｂ）は同動作例に対する比較例を示すグラフ。
【図７】（ａ）は図２（ｂ）の動作例に対応する可動子の速度、電磁コイルへの通電電流、および移動対象物の速度の時間変化のグラフ、（ｂ）は図２（ｃ）の動作例に対応する可動子の速度、電磁コイルへの通電電流、および移動対象物の速度の時間変化のグラフ、（ｃ）は（ｂ）の変形例を示すグラフ。
【図８】他の実施形態に係るインパクトアクチュエータの側面図。
【図９】（ａ）は同アクチュエータにおける電磁コイルの電磁力が可動子に斥力を及ぼす様子示す断面図、（ｂ）は同電磁力が引力の場合の断面図。
【図１０】同アクチュエータによる駆動時に電磁コイルへ通電する電流の波形図。
【図１１】同アクチュエータによる逆方向の駆動時に電磁コイルへ通電する電流の波形図。
【図１２】さらに他の実施形態に係るインパクトアクチュエータの側面図。
【図１３】同アクチュエータにおける電磁コイルの動作を示す断面図。
【図１４】同アクチュエータの変形例における電磁コイルの動作を示す断面図。
【図１５】さらに他の実施形態に係るインパクトアクチュエータの側面図。
【図１６】（ａ）は同アクチュエータにおける衝撃発生前の断面図、（ｂ）は同アクチュエータにおける衝撃発生時の断面図。
【図１７】同アクチュエータの変形例を示す断面図。
【図１８】（ａ）は図２（ａ）の動作例の変形例を示すフローチャート、（ｂ）は同動作例の他の変形例を示すフローチャート。
【図１９】（ａ）は図１８（ａ）の動作例に対応する可動子の速度、電磁コイルへの通電電流、および移動対象物の速度の時間変化のグラフ、（ｂ）は図１８（ｂ）の動作例に対応する可動子の速度、電磁コイルへの通電電流、および移動対象物の速度の時間変化のグラフ。
【図２０】さらに他の実施形態に係るインパクトアクチュエータの電気回路的な構成図。
【図２１】同アクチュエータの電磁コイルに通電したときの電圧と電流の時間変化のグラフ。
【図２２】同アクチュエータの動作例を説明するフローチャート。
【図２３】（ａ）〜（ｆ）はさらに他の実施形態に係るインパクトアクチュエータの動作例を時系列的に示す側面図。
【図２４】実施例の条件を説明するための、電磁コイルへの通電電流の時間変化グラフ。
【図２５】複数条件の下で測定した可動子の速度の時間変化グラフ。
【図２６】図２５のグラフに対応する条件の下で測定した固定子（移動対象物）の速度の時間変化グラフ。
【図２７】図２６の測定データから求めた固定子（移動対象物）の移動距離の時間変化グラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係るインパクトアクチュエータについて、図面を参照して説明する。図１乃至図７は、本発明の実施形態に係るインパクトアクチュエータ（以下、単にアクチュエータとも称する）を示す。アクチュエータ１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、移動対象物９に取り付けられて用いられるものであり、電磁コイル２と、固定子３と、可動子４と、制御装置５とを備えている。移動対象物９は、摩擦面Ｓに配置されて摩擦力により移動が制動されており、例えば、前進方向（図中Ｘ軸の正方向）の衝撃を反復して与えられることにより、摩擦力に抗して前進移動する。電磁コイル２は、通電されることにより電磁力に基づく衝撃の発生源となる。制御装置５は、不図示の電源からの電流を電磁コイル２へ印加する通電制御を行う。
【００１７】
固定子３は、例えば円板形状であり、その一面側を移動対象物９のＸ軸の負方向に面する面に固定されている。従って、固定子３は移動対象物９とともに移動する。固定子３の他面には、Ｘ軸に沿って伸びるガイド軸３１の一端が固定されている。可動子４は、リング状平板であり、その中心にガイド軸３１が挿通されている。可動子４は、ガイド軸３１に沿って移動自在であり、電磁コイル２の電磁力により駆動されて固定子３に対して相対移動する。電磁コイル２は、その中心軸がガイド軸３１の中心軸と一致しており、コイルの中心においてガイド軸３１方向の磁場を発生する。電磁コイル２は、ガイド軸３１の他端側に固定されており、ガイド軸３１の一端側に位置する固定子３と共に、可動子４の移動範囲を制限するストッパを構成する。
【００１８】
可動子４は、電磁コイル２の電磁力すなわち磁気力により駆動されるものであればよく、例えば、永久磁石、磁性体、導電体などで構成される。永久磁石は電磁コイル２の磁気力との相互作用によって、引力または斥力を受ける。磁性体は、電磁コイル２の磁気力によって、引力を受ける。導電体は、渦電流が発生することによって、電磁コイル２の磁気力による斥力を受ける。磁性体と導電体は、磁気力からは一方向の力しか受けないので、バネなどの弾性体による付勢力を援用することにより、可動子４に往復方向の移動をさせることができる。
【００１９】
次に、アクチュエータ１の動作を説明する。アクチュエータ１は、制御装置５が電磁コイル２へ通電することにより移動対象物９を移動させる方向に可動子４を移動させ、可動子４が固定子３に衝突することにより固定子３を介して移動対象物９に衝撃を与えて、移動対象物９を移動させる。そこでまず、図１（ａ）に示すように、可動子４が、電磁コイル２の電磁力ｆ１によって加速されて、電磁コイル２側から固定子３側に向けて、速度ｖ１で前進移動しているものとする。電磁コイル２は、電磁力ｆ１の反作用として、反力Ｒ１を受けている。この反力Ｒ１は、電磁コイル２が、ガイド軸３１、固定子３、および移動対象物９と一体となっているので、これら全体を速度ｖ１の逆方向（後退方向、Ｘ軸の負方向）に移動させる力となる。しかしながら、反力Ｒ１は、摩擦面Ｓから受ける摩擦力（静止摩擦力）が最大静止摩擦力を超えない範囲において摩擦力とつりあい、移動対象物９の後退移動は阻止され、摩擦面Ｓに対して、可動子４の前進移動だけが発生する。
【００２０】
可動子４は、図１（ｂ）に示すように、固定子３に衝突した後、その衝撃力が摩擦面Ｓの最大静止摩擦力を超えることにより、移動対象物９が速度Ｖで前進移動し、可動子４は固定子３から跳ね返って、速度ｖ２で後退移動する。電磁コイル２は、移動対象物９が速度Ｖで前進移動し、可動子４が後退移動している間に、可動子４に電磁力ｆ２を作用させて後退移動を加速（逆加速という）する。すると、電磁力ｆ２の反作用としての反力Ｒ２が、移動対象物９を前進移動させる力となる。移動対象物９は、静止摩擦力よりも小さい動摩擦力の下で移動しているので、反力Ｒ２が有効に作用して、移動対象物９の前進移動が促進される。このような促進は、言い換えれば、制御装置５は、固定子３が移動対象物９とともに移動して停止すると見込まれる時間より前のタイミングで電磁コイル２へ、それまでとは逆方向へ通電することによって実現される。
【００２１】
可動子４は、ストッパとしての電磁コイル２に過度の衝撃を与える衝突、つまり、移動対象物９を後退させてしまう衝突をしないように、電磁コイル２によって、逆加速の状態から減速状態（制動状態）とされ、その後、停止状態（速度ゼロ）とされる。一旦速度ゼロとされた可動子４は、図１（ａ）の状態に戻って、反復動作が繰り返される。逆加速の状態から減速するには、電磁コイル２の電磁力によるほか、バネなどの弾性体によるダンパを用いることができる。制御装置５は、電磁コイル２の電磁力によって加速、逆加速、減速などを行う目的をもって、各反復動作の周期内で電磁コイル２へ通電する電流または印加する電圧を制御する。
【００２２】
次に、可動子４を逆加速するタイミングについて説明する。制御装置５は、固定子３が移動対象物９とともに移動して停止すると見込まれる時間（すなわち、時刻）より前のタイミングで電磁コイル２へ、それまでとは逆方向へ通電する。その停止すると見込まれる時間は、アクチュエータ１を使用する際の条件に基づいて、例えば、可動子４が固定子３に衝突してから何ミリ秒後、などのように見込むことができる。また、可動子４が固定子３に衝突する時間すなわち衝突時刻は、予め測定した電磁コイル２や可動子４の動作特性から、例えば、電磁コイル２への通電を開始した時刻から何ミリ秒後、などのように設定することができる。また、加速度センサをアクチュエータ１または移動対象物９に備えて、固定子３と可動子４の衝突の瞬間を動的に直接検出してもよい。さらに、このような加速度センサによって、移動対象物９が停止するタイミングを、移動対象物９に衝撃を与える反復動作の中で毎回検出して、制御装置５がそのタイミングを通電制御にフィードバックするようにしてもよい。また、停止すると見込まれる時間より前のタイミングとして、可動子４と固定子３の衝突事象に注目すると、衝突時と、衝突後と、衝突前とにおけるタイミングが考えられる。また、アクチュエータ１は、衝突事象の発生によって動作するものであるから、衝突前におけるタイミングは、当然に衝突前の所定の時間範囲内に限定される。
【００２３】
図２（ａ）は、衝突時に、それまでとは逆方向へ通電する場合のアクチュエータ１の動作を示す。アクチュエータ１が、移動対象物９を前進移動させる駆動動作を開始すると、制御装置５が電磁コイル２に通電し、可動子４が加速される（Ｓ１）。可動子４と固定子３の衝突発生がなければ加速が繰り返され（Ｓ２でＮＯ）、衝突があれば（Ｓ２でＹＥＳ）、電磁コイル２は、それまでとは逆方向へ通電される（Ｓ３）。制御装置５は、電磁コイル２への通電を制御して、可動子４の後退移動の速度を減速し、ストッパとしての電磁コイル２側で可動子４の速度をゼロとする（Ｓ４）。アクチュエータ１の駆動が続行される場合は、最初のステップ（Ｓ１）からの動作が繰り返され（Ｓ５でＹＥＳ）、駆動が続行されない場合は処理が終了する（Ｓ５でＮＯ）。図２（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、衝突後と衝突前に、それまでとは逆方向へ通電する場合の動作を示し、逆方向へ通電するタイミングを判定するステップ（Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ）が図２（ａ）とは異なり、他は同様である。
【００２４】
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、逆方向へ通電するタイミングを衝突時とする場合における、可動子４の速度ｖ、電磁コイル２の電磁力、および移動対象物９の速度Ｖについて、互いの時間的関係を示したタイムチャートである。アクチュエータ１の反復駆動動作の周期をＴとし、２周期分が図示されている。可動子４は、図３（ａ）に示すように、周期Ｔの始めから前進移動を開始し、衝突時刻ｔ０において、速度が反転されて後退移動を行い、周期Ｔ内で停止している。電磁力は、図３（ｂ）に示すように、周期Ｔの始めから可動子４を加速し、衝突時刻ｔ０において反転されて可動子４の後退移動を加速している。すなわち、電磁コイル２は、衝突時刻ｔ０と同じタイミングｔａにおいて、それまでとは逆方向へ通電されている。なお、可動子４は、反復動作のため周期Ｔ内で速度ｖ＝０とする必要があり、電磁力は適宜にゼロとされる。さらに、可動子４の速度を減速するために、電磁力を減速のために用いるか（タイムチャートには不図示）、または、ダンパなどによる減速力が用いられる。移動対象物９は、図３（ｃ）に示すように、衝突時刻ｔ０から移動を開始し、周期Ｔ内で停止する。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）と図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ逆方向へ通電するタイミングを衝突後および衝突前とする場合について、図３と同様に示しており、説明は省略する。
【００２５】
図６（ａ）は、逆方向へ通電するタイミングを衝突時とする場合における、可動子４の速度ｖ（ｖ１とｖ２）、電磁コイル２への通電電流Ｊ、および移動対象物９の速度Ｖの時間変化を示す。電流Ｊは、矩形波状に通電されている。この通電と共に、可動子４の前進方向の速度ｖ１が立ち上がる。可動子４に一定の加速度のみが作用している理想的な場合には、速度ｖ１の時間変化グラフは、下に凸の放物線波形の一部となるが、電磁コイル２の電磁力が場所によって変化するなどの要因により、放物線にはなっていない。可動子４が固定子３に衝突する時刻ｔ０に、通電方向が切り替えられ、電流Ｊの向きが切り替えられている。時刻ｔ０において、可動子４は、衝突後の初速度に、逆方向への通電による加速度の効果を加えた速度ｖ２のもとで、後退移動する。移動対象物９の速度Ｖは、衝突時にＶ＝０から立ち上がり、摩擦力の制動を受けて、再び速度Ｖ＝０となる。移動対象物９の移動距離は、速度Ｖのグラフによって囲まれる面積で表される。図中の速度Ｖ０は、以下に説明する。
【００２６】
図６（ｂ）は、逆方向へ通電するタイミングを、移動対象物９の停止時（時刻ｔａ）とする比較例における、速度ｖ（ｖ１とｖ２）、通電電流Ｊ、および移動対象物９の速度Ｖ０の時間変化を示す。可動子４は、時刻ｔ０における固定子３との衝突により、向きが反転した速度ｖ２を有する。しかしながら、可動子４の後退移動中においても、電磁コイル２にはもとの方向への通電が行われており、時刻ｔａまでは、速度ｖ２に対する減速が行われる。この減速のために可動子４に作用する電磁力の反作用（反力）は、電磁コイル４、従ってこれと一体になった移動対象物９の移動を減速させることになる。例えば、上述の図１（ａ）において、速度ｖ１の向きを逆向きにして速度ｖ２に置き換え、さらに移動対象物９が速度Ｖ０で移動している状況を想定すればよい。このように想定した状況において、反力Ｒ１は、移動対象物９の移動速度Ｖ０を減速する。この場合の移動対象物９の移動距離は、速度Ｖ０のグラフによって囲まれる面積であり、その面積は上述の図６（ａ）における速度Ｖのグラフによって囲まれる面積よりも小さい。つまり、図６（ａ）における移動対象物９の移動距離は、図６（ｂ）の比較例の場合の移動距離に比べて大きくなっている。
【００２７】
図７（ａ）（ｂ）は、逆方向へ通電するタイミングを、それぞれ、衝突後および衝突前とする場合における、速度ｖ（ｖ１とｖ２）、通電電流Ｊ、および速度Ｖの時間変化を示す。また、電磁コイル２へ、それまでとは逆方向へ通電する目的は、可動子４を逆加速する時間帯を発生させることにより移動対象物９の前進移動を促進することにあるので、逆方向へ通電は、通電を一旦休止した後に行ってもよい。例えば、図７（ｃ）に示すように、衝突前の時刻ｔａに電流Ｊを一端停止してＪ＝０を維持し、その後、衝突時の時刻ｔ０に、それまでとは逆方向の通電を行うようにしてもよい。これらの、いずれの場合においても、可動子４の逆加速の効果により、移動対象物９の移動距離を増すことができる。
【００２８】
次に、図８乃至図１１を参照して、アクチュエータ１の、より具体的な構成例を説明する。図８に示すように、本実施形態のアクチュエータ１は、図１に示したアクチュータ１において、可動子４を永久磁石としたものである。電磁コイル２は、コイル枠に納められ、その中心軸上に配置されたガイド軸３１によって固定子３に一体化されている。可動子４は、ドーナツ円板状であって、中心側から外周側に向けて半径方向に磁化されている。本例の場合、中心側がＳ極で外周側がＮ極であるが、逆極性とすることができる。このような可動子４は、電磁コイル２に流れる電流の向きによって、図９（ａ）に示すように、斥力を受けたり、図９（ｂ）に示すように、引力を受けたりする。
【００２９】
アクチュエータ１の動作を説明する。移動対象物９は、可動子４が左方の電磁コイル２に衝突することによって左方に移動され、可動子４が右方のストッパ４に衝突することによって右方に移動される。すなわち、アクチュエータ１は、そのガイド軸３１方向のいずれの方向へも、選択的に、移動対象物９を移動させることができる双方向駆動のアクチュエータである。移動対象物９を左方に移動させる場合には、可動子４が右方の固定子３に過度の衝撃で衝突しないように電磁コイル２からの磁気力を可動子４に及ぼす必要がある。逆に、移動対象物９を右方に移動させる場合には、可動子４が電磁コイル２に衝突しないように電磁コイル２からの磁気力を可動子４に及ぼす必要がある。制御装置５は、電磁コイル２と可動子４の相対移動の一方向において衝突を発生させ、その一方向とは反対方向において衝突を回避させると共に相対移動の方向を反転させて一方向における衝撃を反復発生させるように、電磁コイル２に通電する電流を時間制御する。
【００３０】
次に、移動対象物９を右方（Ｘ軸の正方向）に移動させる場合のアクチュエータ１の動作を説明する。初期状態において、可動子４は電磁コイル２に接触して静止しているものとする。図１０に示すように、時間ｔ１ではコイル電流Ｊはゼロであり、移動対象物９は静止している。コイル電流Ｊが、時間ｔ２におけるように、漸増した後、一定値となるように流されると、可動子４は電磁コイル２から斥力を受けて固定子３に近づき、その間、斥力によって加速され続けて、最終的に固定子３に衝突する。衝撃力を大きくするには、加速する時間が長いほどよいが、時間ではなくコイル電流Ｊの大きさを、可動子４が離反する移動時よりも衝突する移動時に、より大きくするようにしてもよい。時間ｔ２の始めにコイル電流Ｊを漸増するのは、急激な離反の反動によって移動対象物９が左方へ移動するのを抑制するためである。時間ｔ３では極性を反転したコイル電流Ｊが流され、可動子４が固定子３側から引き戻される。可動子４が電磁コイル２に到達する前に、時間ｔ４において極性を戻したコイル電流Ｊが流され、減速とその後の加速の後、可動子４が固定子３側に、再び衝突する。時間ｔ５以降の動作は時間ｔ３，ｔ４における動作の繰り返しであり、その反復動作によって、移動対象物９が右方へ移動する。通電方向の切り替えタイミングｔａは、本例では、衝突のタイミングｔ０と同じに設定されており、時間ｔ２と時間ｔ３の境界に位置している。また、このタイミングｔａは、移動対象物９が移動停止する前のタイミングに設定されている。時間ｔ４における初期段階の通電による電磁力は、可動子４が電磁コイル２側に衝突しないように可動子４の速度を減速するための、制動力として用いられる。
【００３１】
次に、移動対象物９を左方（Ｘ軸の負方向）に移動させる場合について説明する。初期状態において、可動子４は電磁コイル２に接触して静止しているものとする。図１１に示すように、時間ｔ１ではコイル電流Ｊはゼロであり、移動対象物９は静止している。時間ｔ２におけるように、一定値のコイル電流Ｊが流されると、可動子４は電磁コイル２から斥力を受けて固定子３に近づく。可動子４が固定子３に到達する前に、極性を反転したコイル電流Ｊが時間ｔ３において流され、可動子４は電磁コイル２から引力を受けて、減速とその後の加速により、電磁コイル２に引き戻される。可動子４は、時間ｔ３における移動中に、引力によって移動速度が加速され続け、時間ｔ４では電流ＪがＪ＝０とされ、時間ｔ４の終わりで、最終的に電磁コイル２に衝突する。可動子４が電磁コイル２に衝突したタイミングｔ０において、Ｊ＝０とされる以前の電流の向きからコイル電流Ｊの極性が反転され、時間ｔ５の間、そのコイル電流Ｊが流される。時間ｔ３と時間ｔ４の境界に位置するタイミングｔａにおいて電流ＪがＪ＝０とされ、通電を一旦休止する通電制御は、上述の図７（ｃ）に示した制御と同様である。ただし、図１１と図７（ｃ）とでは、移動対象物９の移動方向が逆に設定されており、電流Ｊの向きも、互いに逆になっている。時間ｔ３における初期段階の通電による電磁力は、可動子４が固定子３側に衝突しないように可動子４の速度を減速するための、制動力として用いられる。時間ｔ５以降の動作は上述の時間ｔ３，ｔ４，ｔ５の繰り返しであり、その反復動作により、移動対象物９が左方へ移動する。
【００３２】
次に、図１２、図１３、図１４を参照して、さらに他のアクチュエータを説明する。図１２に示すように、このアクチュエータ１は、図１のアクチュエータ１において、可動子４を電磁コイル２で構成し、固定子３を永久磁石で構成したものである。アクチュエータ１は、双方向駆動の構成とされており、可動子４の両側に固定子３（以下、永久磁石３とも称する）が設けられている。これらの２つの永久磁石３は、一方が可動子４に対する被衝突体となる際に、他方がストッパとなる。円板状の２つの永久磁石３は、互いに離間して同軸配置されガイド軸３１の両端に固定されている。電磁コイル２は、コイル枠に納められ、中心軸上をガイド軸３１によって挿通されてガイド軸３１に沿って移動自在とされている。電磁コイル２は、電磁コイル２への通電によって生じる電磁作用によって、２つの永久磁石３に対して相対移動する。その相対移動の範囲は両端の永久磁石３によって制限されている。各永久磁石３は、中心側から外周側に向けて半径方向に磁化されている。本例の場合、中心側がＳ極で外周側がＮ極であるが、逆極性とすることができる。
【００３３】
アクチュエータ１の動作を説明する。上述のような永久磁石３の間に挟まれた電磁コイル２は、通電されると、図１３に示すように、一方の永久磁石３から斥力を受け、他方の永久磁石３から引力を受ける。従って、電磁コイル２は、電磁コイル２に流れる電流の向きによって、Ｘ軸方向またはその反対方向に移動方向を選択することができる。そこで、制御装置５によって、電磁コイル２のコイル電流を時間制御することにより、電磁コイル２を左方の永久磁石３に衝突させて移動対象物９を左方に移動させることができ、同様に、移動対象物９を右方に移動させることができる。制御装置５は、電磁コイル２と永久磁石３の相対移動の一方向において衝突を発生させ、その一方向とは反対方向において衝突を回避させると共に相対移動の方向を反転させて一方向における衝撃を反復発生させるように電磁コイル２への通電電流を時間制御する。このような制御を繰り返すことにより、移動対象物９を右方または左方へパルス的に移動させることができる。電磁コイル２への通電制御において、電流Ｊの切り替えタイミングｔａの設定は、上述の図２に示した場合と同様である。
【００３４】
図１４は、図１２に示したアクチュエータ１の変形例を示す。この変形例における永久磁石３は、図１２に示したアクチュエータ１における永久磁石３の磁化方向とは異なり、円板の厚み方向に磁化されている。このような永久磁石３を互いに磁化方向を揃えて配置し、電磁コイル２に通電すると、一方の永久磁石３から斥力を受け、他方の永久磁石３から引力を受ける。従って、この変形例は、図１２に示したアクチュエータ１と同様の動作をすることができる。
【００３５】
次に、図１５乃至図１７を参照して、さらに他のアクチュエータを説明する。アクチュエータ１は、図１５に示すように、ガイド軸３１の両端に固定子３として電磁コイル２を備え、両固定子３の間に永久磁石からなる２つの可動子４を備え、２つの可動子４の間に弾性体６を備えている。各可動子４は、それぞれ少なくとも弾性体６の伸縮する範囲内でガイド軸３１の軸方向に沿って移動自在に構成されている。各電磁コイル２は、ガイド軸３１によって一体化され、それぞれコイル枠に納められている。弾性体６は、アクチュエータ１が非駆動状態のとき、各可動子４を電磁コイル２に近接させるように伸張している。弾性体６は、例えばコイルバネや板バネによって構成することができ、ゴムなどを用いて構成することができる。アクチュエータ１は、電磁コイル２と可動子４を１つづつ含む組を、ガイド軸３１に沿って弾性体６の両側に、互いに対称配置および対称構成となるように備えている。すなわち、アクチュエータ１は、ガイド軸３１方向のいずれの方向へも、選択的に、移動対象物９を移動させることができる双方向駆動のアクチュエータである。互いに隣接する電磁コイル２と可動子４（永久磁石）との間の相互作用は、上述の図９（ａ）（ｂ）によって示した相互作用と同様であり、互いに引力や斥力を及ぼしあう。
【００３６】
アクチュエータ１の動作を説明する。アクチュエータ１は、例えば、移動対象物９を右方に移動させる場合、右方の電磁コイル２と可動子４の組を動作させる。この場合、アクチュエータ１は、図１６（ａ）に示すように、右方の可動子４に斥力を与えるように、右方の電磁コイル２に電流を流し、その後電流をオフする。すると、右方の可動子４は、弾性体６によって受け止められた後、圧縮された弾性体６の伸張力によって跳ね返されて、図１６（ｂ）に示すように、右方の電磁コイル２（固定子３）に衝突する。このような動作を繰り返すことにより、移動対象物９を右方に移動させることができる。弾性体６は、その付勢力によって、可動子４の減速を行うものであり、電磁力によって可動子４の減速を行う電磁コイル２の役割を分担する。このようなアクチュエータ１においても、電磁コイル２への通電制御において、電流Ｊの切り替えタイミングｔａの設定は、上述の図２に示した場合と同様である。
【００３７】
図１７は、さらに他のアクチュエータ１を示す。このアクチュエータ１は、図１５に示したアクチュエータ１において、永久磁石からなる可動子４を導電体からなる可動子に置き換えたものである。このアクチュエータ１は、電磁コイル２への通電によって導電体（可動子４）に発生する渦電流に起因して発生する反発力によって、可動子４を反発移動させる。可動子４は、弾性体６を圧縮し、弾性体６の伸張力によって押し戻されて固定子３（電磁コイル２）に衝突し、移動対象物９が移動される。電磁コイル２への通電制御は、必要な渦電流とこれに起因する反発力とが得られるように電流を一気に流すように制御し、可動子４（導電体）と電磁コイル２との衝突が邪魔されないように通電をオフする制御を行えばよい。
【００３８】
次に、図１８、図１９を参照して、制御装置５による通電制御について、さらに説明する。アクチュエータ１は、移動対象物９に衝撃を反復して付与する際に、円滑かつ効率的に移動させるため、各反復動作の周期Ｔの始めと終わりとにおいて、より詳細に通電制御する必要がある。例えば、図１８（ａ）に示すように、可動子４を加速するステップ（Ｓ１）の前に、可動子４を徐々に加速するステップ（Ｓ０）を設けたり、図１８（ｂ）に示すように、後退移動する可動子４を段階的減速したり徐々に減速したりする（Ｓ４ａ）。これらの通電制御の処理は、例えば、図１９（ａ）に示すように、電流Ｊを滑らかに立ち上がる電流波形にする制御や、図１９（ｂ）に示すように、電流Ｊの通電方向の切り替えを行った後に、電流Ｊ１，Ｊ２という２段階でＪ＝０に導く制御によって行われる。周期Ｔの始めの通電制御は、可動子４が固定子３に衝突する前の加速中に移動対象物９が摩擦力に抗して移動（これは、意図した向きとは逆向きの移動）しないようにすることを目的として行われる制御である。周期Ｔの終わりの通電制御は、通電方向の切り替え後に、可動子４が移動対象物９を移動させる方向とは反対側にあるストッパ（例えば、図１における電磁コイル２）に衝突しないようにすることを目的として行われる制御である。この場合のストッパへの衝突も、意図した向きとは逆向きの移動を発生させるので、この衝突を回避させることが効率的移動にとって有効である。
【００３９】
次に、図２０、図２１、図２２を参照して、さらに他のアクチュエータを説明する。アクチュエータ１は、図２０に示すように、電源２０によって通電される電磁コイル２を含む電流回路のインピーダンスＺを測定する測定回路２１を備えており、制御装置５は、測定回路２１によって測定されたインピーダンスＺの変化に基づいて通電制御を行う。電磁コイル２が、その電磁力を可動子４に及ぼす際に、電磁コイル２は、可動子４から電磁気的な相互作用を受ける。例えば、電磁コイル２に逆起電力が発生し、その逆起電力の効果により、図２１に示すように、電磁コイル２を含む電流回路のインピーダンスＺに変化（例えば、波形における変曲点Ｐ）が現れる。従って、このようなインピーダンスＺの変化から、可動子４と固定子３との衝突事象の前か後かなどについて、アクチュエータ１の知見が得られ、その知見に基づいてタイミングｔａの設定、すあんわち電磁コイル２の通電制御を行うことができる。このような知見は、予め実験的測定によって得ることもでき、また、アクチュエータ１の動作中にリアルタイムで得ることもできる。
【００４０】
図２２は、上述のインピーダンス計測による通電制御の例を示す。制御装置５は、電磁コイル２に通電して可動子４を加速すると共に（＃１）、測定回路２１によってインピーダンスＺを測定する（＃２）。インピーダンスＺに所定の変化がなければ（＃３でＮＯ）、ステップ（＃１）からの処理が繰り返され、インピーダンスＺに所定の変化があれば（＃３でＹＥＳ）、電磁コイル２への逆方向への通電が行われる（＃４）。その後、ステップ（＃４，＃５，＃６）において、図２（ａ）に示した制御と同様の制御が行われる。
【００４１】
次に、図２３を参照して、さらに他のアクチュエータを説明する。アクチュエータ１は、ガイド軸３１の一端と他端それぞれ設けた電磁コイル２（固定子３）と、ストッパ７と、固定子３とストッパ７との間に設けた可動子４と、ストッパ７と可動子４とを互いに引き寄せる弾性体８と、不図示の制御装置５とを備えている。弾性体８は、可動子４を移動対象物９を移動させる方向とは逆方向に付勢する付勢手段であり、バネやゴムなどで構成される。可動子４は、磁性体からなり、ガイド軸３１に沿って移動自在であり、電磁コイル２の磁力による引力と弾性体８の収縮力による引力とを受ける。以下、アクチュエータ１の動作を説明する。
【００４２】
図２３（ａ）に示すように、アクチュエータ１の初期状態（駆動前の状態）において、可動子４は、弾性体８の付勢力によってストッパ７側に引き寄せられている。電磁コイル２に通電されると、図２３（ｂ）に示すように、可動子４は、電磁コイル２の電磁力ｆ１により、弾性体８の付勢力ｆｃに抗して、移動対象物９を移動させる方向（Ｘ軸の正方向、右方）、すなわち電磁コイル２側に速度ｖ１で加速移動される。この場合、可動子４は、ｆｃ＜ｆ１という条件のもとで、右方に移動する。力ｆｃの反作用となる力Ｒｃがストッパ７に作用し、力ｆ１の反作用となる力Ｒ１が電磁コイル２に作用している。力Ｒ１は、摩擦面Ｓからの静止摩擦力と釣り合っており、移動対象物９は静止している。なお、図中の力の大小関係を再掲すると、ｆｃ＜ｆ１，ｆｃ＝Ｒｃ，ｆ１＝Ｒ１，Ｒｃ＜Ｒ１である。
【００４３】
図２３（ｃ）に示すように、可動子４が固定子３としての電磁コイル２に衝突すると、図２３（ｄ）に示すように、移動対象物９が速度Ｖで右方へと移動し、可動子４は、左方に速度ｖ２で移動する。このとき、制御装置５は、固定子３が移動対象物９とともに移動して停止すると見込まれる時間より前のタイミングで、弾性体８による付勢力ｆｃが電磁コイル２の電磁力ｆ２に対して優勢となるように電磁コイル２への通電を弱める通電制御を行う。なお、図中の力の大小関係を再掲すると、ｆｃ＞ｆ２，ｆｃ＝Ｒｃ，ｆ２＝Ｒ２，Ｒｃ＞Ｒ１である。この場合、また、移動対象物９が速度Ｖで右方に移動しているので、摩擦面Ｓからの摩擦力による抗力は小さく、移動対象物９に作用している右方への力（０＜Ｒｃ−Ｒ１）が、移動対象物９を右方に移動させる力として有効に作用する。
【００４４】
制御装置５は、その後、図２３（ｅ）に示すように、適宜電磁コイル２への通電制御を行うことにより、図２３（ｆ）に示すように、ストッパ７に対して過度の衝撃を与えないように、可動子４を初期状態に復帰させる。ストッパ７に対する過度の衝撃とは、衝撃のために移動対象物９が左方に移動してしまうような衝撃のことである。なお、可動子４が、ストッパ７に対して適度の衝撃を与えるように衝突すると、その衝撃による可動子４の跳ね返りを利用することにより、次の駆動の周期における、移動対象物９の右方への移動動作をより円滑に進めることができる。
【００４５】
次に、図２４乃至図２７を参照して、アクチュエータ１の動作に関する実施例の測定値について説明する。図２４は、実施例の条件を説明するための、電磁コイル２への通電電流Ｊの時間変化グラフを示す。時刻ｔ＝０において電流Ｊがステップ状に印加され、その後、時間τの間、一定電流が維持され、時刻ｔ＝τ（すなわち、タイミングｔａ）において、電流Ｊが前記とは逆方向に通電されるものとする。実施例では、時間τを、τ＝２ｍｍｓ，４ｍｍｓ，５．６ｍｍｓ，７．５ｍｍｓ，１０ｍｍｓの５段階（それぞれ、ａ〜ｅで区別）に変化させた。なお、この実施例の測定において、可動子４の反復動作について評価することは、前提とされてない。従って、この実施例において、可動子４がストッパ側に過度の衝撃を与えないように、可動子４を減速する処理は行われていない。
【００４６】
図２５、図２６、図２７は、それぞれ、可動子４の速度ｖ、固定子３（移動対象物９）の速度Ｖ、速度Ｖの測定データから求めた固定子３（移動対象物９）の移動距離Ｘ（速度Ｖの時間積分値）の時間変化を示す。図２５において、τ＝２ｍｍｓ（グラフａ）の場合、速度ｖが十分加速されていないことが分かる。図２６、図２７において、ｂ〜ｅのグラフに負値が現れているのは、可動子４の移動開始時の反動が大き過ぎるからであり、これは、図２４に示したように、電流Ｊがステップ状に印加されることに原因がある。移動距離Ｘを示す図２７において、各グラフが、ピークを形成し、その後減少しているのは、移動対象物９が後戻りしていることを意味し、この後戻りは、この実施例において、可動子４を減速する処理を行わなかったことに起因する。図２７において、移動距離Ｘのピークは、τ＝５．６ｍｍｓ（グラフｃ）の場合に一番高く、この時間τを与えるタイミングｔａが最適のタイミングであることが分かる。また、τ＝２ｍｍｓ（グラフａ）の場合、逆方向への通電が早すぎて移動距離Ｘを減少させていることが分かる。
【００４７】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。本発明のアクチュエータは、上下左右任意の姿勢で用いることができる。また、摩擦面Ｓに載置された移動対象物に限らず、摩擦的な抗力（例えば、流体や砂などの擬似流体からの抵抗やラチェットなどの機械要素から受ける抵抗など）を受ける状態で位置が維持された移動対象物に対して、本アクチュエータを適用することができる。また、アクチュエータの構成は、可動子がガイド軸３１に沿って往復移動する構成に限らず、振り子型の移動をする構成とすることができる。例えば、電磁コイルと永久磁石とを互いに組み合わせてボイスコイル構造とし、永久磁石の両端側に一体化して非磁性体のストッパを備え、電磁コイルが、２つのストッパ間で永久磁石に対し相対移動自在に振り子振動をするアクチュエータを構成することができる。このアクチュエータにおいて、電磁コイルが、永久磁石から受ける電磁力によって２つのストッパのいずれか一方に衝突することにより衝撃が発生される。
【符号の説明】
【００４８】
１ インパクトアクチュエータ（アクチュエータ）
２ 電磁コイル
３ 固定子
４ 可動子
５ 制御装置
６ 弾性体
７ ストッパ
８ 弾性体（付勢手段）
９ 移動対象物
ｔａ 時刻（タイミング）
ｆ１，ｆ２ 電磁力（磁力）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦力により移動が制動されている移動対象物に衝撃を与えることにより該移動対象物を移動させるインパクトアクチュエータにおいて、
アクチュエータは、
通電されることにより電磁力に基づく衝撃の発生源となる電磁コイルと、
前記移動対象物とともに移動する固定子と、
前記電磁コイルの電磁力により駆動されて前記固定子に対して相対移動する可動子と、
前記電磁コイルへの通電制御を行う制御装置と、を備え、
前記制御装置が前記電磁コイルへ通電することにより前記移動対象物を移動させる方向に前記可動子を移動させ、前記可動子が前記固定子に衝突することにより該固定子を介して前記移動対象物に衝撃を与え、
前記制御装置は、前記固定子が前記移動対象物とともに移動して停止すると見込まれる時間より前のタイミングで前記電磁コイルへ前記とは逆方向へ通電することを特徴とするインパクトアクチュエータ。
【請求項２】
前記制御装置は、前記可動子が前記固定子に衝突した後に、前記とは逆方向へ通電することを特徴とする請求項１に記載のインパクトアクチュエータ。
【請求項３】
前記制御装置は、前記可動子が前記固定子に衝突したときに、前記とは逆方向へ通電することを特徴とする請求項１に記載のインパクトアクチュエータ。
【請求項４】
前記制御装置は、前記可動子が前記固定子に衝突する前に、前記とは逆方向へ通電することを特徴とする請求項１に記載のインパクトアクチュエータ。
【請求項５】
前記制御装置は、前記可動子が前記固定子に衝突する前の加速中に、前記移動対象物が前記摩擦力に抗して移動しないように前記電磁コイルへの通電制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のインパクトアクチュエータ。
【請求項６】
前記移動対象物を移動させる方向における前記固定子がある側とは反対側に、前記可動子の移動範囲を制限するストッパを備え、
前記制御装置は、前記可動子が前記ストッパに衝突しないように前記電磁コイルへの通電制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のインパクトアクチュエータ。
【請求項７】
前記制御装置は、前記電磁コイルが前記固定子に電磁力を及ぼすことにより発生する該電磁コイルの電流回路のインピーダンスの変化に基づいて前記とは逆方向へ通電することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のインパクトアクチュエータ。
【請求項８】
摩擦力により移動が制動されている移動対象物に衝撃を与えることにより該移動対象物を移動させるインパクトアクチュエータにおいて、
アクチュエータは、
通電されることにより電磁力に基づく衝撃の発生源となる電磁コイルと、
前記移動対象物とともに移動する固定子と、
前記電磁コイルの電磁力によって前記固定子に対して相対移動する可動子と、
前記電磁コイルへの通電制御を行う制御装置と、
前記可動子を前記移動対象物を移動させる方向とは逆方向に付勢する弾性体からなる付勢手段と、を備え、
前記制御装置が前記電磁コイルへ通電することにより、前記付勢手段の付勢力に抗して、前記移動対象物を移動させる方向に前記可動子を移動させ、前記可動子が前記固定子に衝突することにより該固定子を介して前記移動対象物に衝撃を与え、
前記制御装置は、前記固定子が前記移動対象物とともに移動して停止すると見込まれる時間より前のタイミングで前記付勢手段による付勢力が前記電磁コイルの電磁力に対して優勢となるように前記電磁コイルへの通電を弱めることを特徴とするインパクトアクチュエータ。
【請求項１】
摩擦力により移動が制動されている移動対象物に衝撃を与えることにより該移動対象物を移動させるインパクトアクチュエータにおいて、
アクチュエータは、
通電されることにより電磁力に基づく衝撃の発生源となる電磁コイルと、
前記移動対象物とともに移動する固定子と、
前記電磁コイルの電磁力により駆動されて前記固定子に対して相対移動する可動子と、
前記電磁コイルへの通電制御を行う制御装置と、を備え、
前記制御装置が前記電磁コイルへ通電することにより前記移動対象物を移動させる方向に前記可動子を移動させ、前記可動子が前記固定子に衝突することにより該固定子を介して前記移動対象物に衝撃を与え、
前記制御装置は、前記固定子が前記移動対象物とともに移動して停止すると見込まれる時間より前のタイミングで前記電磁コイルへ前記とは逆方向へ通電することを特徴とするインパクトアクチュエータ。
【請求項２】
前記制御装置は、前記可動子が前記固定子に衝突した後に、前記とは逆方向へ通電することを特徴とする請求項１に記載のインパクトアクチュエータ。
【請求項３】
前記制御装置は、前記可動子が前記固定子に衝突したときに、前記とは逆方向へ通電することを特徴とする請求項１に記載のインパクトアクチュエータ。
【請求項４】
前記制御装置は、前記可動子が前記固定子に衝突する前に、前記とは逆方向へ通電することを特徴とする請求項１に記載のインパクトアクチュエータ。
【請求項５】
前記制御装置は、前記可動子が前記固定子に衝突する前の加速中に、前記移動対象物が前記摩擦力に抗して移動しないように前記電磁コイルへの通電制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のインパクトアクチュエータ。
【請求項６】
前記移動対象物を移動させる方向における前記固定子がある側とは反対側に、前記可動子の移動範囲を制限するストッパを備え、
前記制御装置は、前記可動子が前記ストッパに衝突しないように前記電磁コイルへの通電制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のインパクトアクチュエータ。
【請求項７】
前記制御装置は、前記電磁コイルが前記固定子に電磁力を及ぼすことにより発生する該電磁コイルの電流回路のインピーダンスの変化に基づいて前記とは逆方向へ通電することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のインパクトアクチュエータ。
【請求項８】
摩擦力により移動が制動されている移動対象物に衝撃を与えることにより該移動対象物を移動させるインパクトアクチュエータにおいて、
アクチュエータは、
通電されることにより電磁力に基づく衝撃の発生源となる電磁コイルと、
前記移動対象物とともに移動する固定子と、
前記電磁コイルの電磁力によって前記固定子に対して相対移動する可動子と、
前記電磁コイルへの通電制御を行う制御装置と、
前記可動子を前記移動対象物を移動させる方向とは逆方向に付勢する弾性体からなる付勢手段と、を備え、
前記制御装置が前記電磁コイルへ通電することにより、前記付勢手段の付勢力に抗して、前記移動対象物を移動させる方向に前記可動子を移動させ、前記可動子が前記固定子に衝突することにより該固定子を介して前記移動対象物に衝撃を与え、
前記制御装置は、前記固定子が前記移動対象物とともに移動して停止すると見込まれる時間より前のタイミングで前記付勢手段による付勢力が前記電磁コイルの電磁力に対して優勢となるように前記電磁コイルへの通電を弱めることを特徴とするインパクトアクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２０１２−２４００３８（Ｐ２０１２−２４００３８Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１６３７３（Ｐ２０１１−１１６３７３）
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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