High-speed High-resolution Linear Inchworm Mechanism Based on Toggle Mechanism Actuated by Electromagnet

電磁アクチュエータとトグル機構を用いた高速・高分解能直動インチワームメカニズム

Introduction

A novel inchworm linear mechanism is designed for aiming at high-speed and high-resolution positioning. The mechanism employs two electromagnets for clumping the rail, and one electromagnet for longitudinal actuation of the mechanism. Use of the electromagnet enables to high-speed feed rate and inexpensive low-voltage amplifiers. Moreover, toggle mechanisms are used for reducing the actuator's displacement and enlarging the actuator's force. Because the relation between the input and output displacements of the toggle mechanism is non-linear, the inchworm mechanism achieves both high-speed and high-resolution positioning as necessary. This paper describes experimental mechanisms equipped with two types of actuators and shows their experimental result. It was demonstrated that this mechanism has 1 mm/s maximum speed and the positioning resolution less than 1 micrometer.

緒言

　高分解能な位置決めのための小形直動アクチュエータとしてインチワーム機構が多く開発されてきた．一般的なインチワーム機構は図1に示すように，二組のクランプ用アクチュエータと位置決め用のアクチュエータを順番に動作させて尺取り虫のような動作を行うため，位置決め用アクチュエータのストロークに依存せず，長い動作範囲を得ることができる．通常は位置決め分解能は位置決め用のアクチュエータのそれと同一となるが，このため機構の移動速度は位置決め用アクチュエータのストロークと動作周波数に依存することとなる．多くのインチワーム機構では位置決め用アクチュエータとして積層形圧電素子を用いており，移動分解能はnmオーダが可能であるが，圧電素子の伸縮が10 ｵm前後であるために1 mm/s以上の移動速度を得るためには，百Hz以上の高速な駆動が必要となる．また圧電素子の駆動のためには，高額な高電圧アンプが必要となる．
　本研究では高速度で移動が可能なインチワーム機構を実現するために，低電圧アンプで駆動可能な比較的ストロークの大きい電磁アクチュエータを用いる．また，変位縮小機構を用いてアクチュエータの変位を縮小し，高分解能化を達成する．さらに変位縮小機構の縮小倍率を変化させ，高速駆動と高分解能駆動の両立を実現する．前報(1)では位置決め用アクチュエータとしてVCM（ボイスコイルモータ）を用いたインチワームを試作した．本報ではより簡便な粗微動位置決め用電磁アクチュエータ2種類を用いて実験を行った結果について報告する．

Fig.1 Conventional linear inchworm mechanism

Fig.2 Proposed inchworm with toggle mechanisms

Fig.3 Two models of inchworm mechanisms

Papers

大岩孝彰，青山京太郎，朝間淳一：変位縮小機構と電磁アクチュエータを用いた高速・高分解能インチワーム，日本機械学会論文集，掲載決定

Conference proceedings

青山京太郎，大岩孝彰，朝間淳一：電磁アクチュエータを用いた高速・高分解能インチワーム━駆動周波数の向上━，2019年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集，J63，p.451.

Kyotaro AOYAMA, Takaaki OIWA and Junich ASAMA:High-speed and high-resolution inchworm mechanism driven by electromagnetic actuator with displacement reduction mechanism,The 8thInternational Conference on Positioning Technology ICPT2018,

青山京太郎，大岩孝彰，朝間淳一：電磁アクチュエータを用いた高速・高分解能インチワーム（変位縮小機構の可変範囲拡大），[No.18-1] 日本機械学会 2018 年度年次大会講演論文集〔2018.9.9-12，吹田〕，Ｓ1110301

大岩孝彰，鈴木直道，寺林賢司，朝間淳一：電磁アクチュエータとトグル機構を用いた高速・高分解能直動インチワームメカニズム，日本機械学会2017年度年次大会，S1140201， 2017年9月3日～6日，埼玉大学

Takaaki Oiwa, Naomichi Suzuki, Kenji Terabayashi and Junichi Asama*: High-speed and High-resolution Linear Microstepper Based on Displacement Reducer Actuated by Electromagnet, Proceedings of The 7th International Conference on Manufacturing, Machine Design and Tribology(ICMDT2017), April 19-22, 2017, Jeju island, Korea.

鈴木直道，大岩孝彰，寺林賢司，朝間淳一：電磁アクチュエータとトグル機構を用いた高速・高分解能インチワーム，日本機械学会東海支部第66期総会・講演会講演論文集（'17.3.14-15)No. 173-1 pp.212.(静岡大学浜松キャンパス）

Takaaki Oiwa,Yuichiro Toyoda and Junichi Asama: High-speed and High-resolution Linear Microstepper Based on Toggle Mechanism Actuated by Electromagnet, The third Conference on Mechanisms, Transmissions and Applications (MeTrApp 2015), RWTH Aachen University, Germany, May 6-8, 2015.

大岩　孝彰，鈴木　貴博，寺林　賢司，朝間　淳一：電磁アクチュエータとトグル機構を用いた高速・高分解能直動インチワームメカニズム，日本機械学会2014年度年次大会講演論文集，Ｓ1120101（2014.9/7-10），東京

Takaaki Oiwa,Yuichiro Toyoda and Junichi Asama: High-speed and High-resolution Linear Microstepper Based on Toggle Mechanism Actuated by Electromagnet, 5th International Conference of Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology (ASPEN2013),Nov. 12-15, 2013, Taipei, Taiwan

大岩孝彰，豊田祐一郎，朝間淳一：電磁アクチュエータとトグル機構を用いた高速・高分解能直動インチワームメカニズム，日本機械学会2012年度年次大会講演論文集，Ｓ113025（2012.9/10，金沢大学角間キャンパス）

笠井健太, 朝間淳一, 大岩孝彰：小形パラレルメカニズム用VCMインチワームアクチュエータ，2010年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集（2010.9，名古屋大学）