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K06

磁気吸引力を利用した可撓支持微動テーブルの開発
九州工業大学○田丸 雄摩，常石造船 宅野

1. はじめに元気，九州工業大学 清水 浩貴

3. 吸引力に対する出力変位の見積

近年，機械加工品は超小型・超微細化が進展しており，位置決め

可撓機構を設計するために印加電流に対する吸引力と吸引力にもそれに適応する性能が要求される．我々は微動性能向上の一手段対する出力変位を見積もる必要がある．印加電流と吸引力の関係はとして摺動摩擦の低減を挙げており，スクイーズ効果での空気静圧理論的に予測し難いためネオジム磁石と電磁石の磁極間隔と吸引力を利用して支持と駆動力を得る微動テーブルを提案している(1)．

力の関係を実験的に求めた．図 2 はネオジム磁石厚み t および磁極一方，剛性を確保するには可撓支持が有利であり，本報では可撓支間隔 Gap をそれぞれ 2+1mm，0.2mm に設定した場合の(a)電流上昇

持に永久磁石と電磁石間で作用する磁気吸引力での駆動を組合せ時(b)電流降下時の吸引力を示す．電流を 5 往復連続で増減させた結た微動テーブルを提案する．電磁石への印加電流で自在に吸引力が果，1 往復目では吸引力がゼロに戻らず残留磁気によるヒステリシ調整できるため，簡単な弾性ヒンジ構造で長ストロークから高分解スがみられる．2 往復目以降はヒステリシスがみられず，最大吸引能に至る微動が期待できる．今回は 1 軸の装置を製作し基本的な微力は残留磁気に相当する分だけ小さくなる．なお，一旦磁極間隔を動性能を調べた．本装置の特徴は永久磁石と電磁石を 2 対設けた点∞にした後，試験すると再び 1 回目の特性が表れ，t と GAP を変えにある．磁極間隔の一方を広く，他方を狭くすることで同じ印加電ても同様の特性がみられた．印加電流は電磁石に相当の発熱が認め流でも異なる吸引力を発生させることができるため長ストロークられる 2A を最大としている．図 3 は t=2+1mm ,Gap=0.2mm および t=と高分解能の微動を連係して出力できる．吸引力の校正や可撓機構

2mm ,Gap=5mm での印加電流と吸引力の関係を示す．図 4 は吸引力の剛性解析によって印加電流と変位の関係を推定し，長ストロークとテーブル変位の関係を CATIA で解析した結果であり，変位の大と高分解能および，両者を連係させた場合の微動性能を評価した．

小はヤング率：A2017<C5191<SUS303 に倣っている．当結果と図 3

2. 可撓機構と微動原理

より図 5 で示す印加電流に対する微動変位を見積もることができる．

図 1 に可撓機構と微動原理を示す．(a)は微動が生じる前の初期状吸引力による微動制御と変位計測

4.

態を表す．可撓機構は円弧切欠きの弾性ヒンジを施した 3 本のはり

電磁石は両側のネオジム磁石に対向して設置する．各々の電磁石で構成される．ビーム 1，2 は厚み×長さ＝6mm×142mm，ビーム 3は直動ステージに取付け，磁極間隔を調整できる．つまり，内側とは 6mm×200mm で，切欠き部の厚みは 1mm である．ビーム 1～3外側で個別に間隔を設定することで性能の等しい双方の電磁石にの材質はすべて同じであり A2017，C5191，SUS303 の 3 種類を用い同じ電流を印加しても異なる吸引力を生じさせることができる．こてそれぞれに交換して微動試験を実施できる．ビーム 3 の中央内側の特徴を用いると例えば，図 6 に示すように Gap1＜Gap 2 を設定す79mT）の 2 種類を用いる．予め t=2 を取付けてあり，t=2：1 枚の場合と t=2 に t=1 を吸着させた t=2+1：2 枚の場合での磁力を発生できる．(b)は外側のネオジム磁石に対して適当な間隔を設けて電磁石1086（心棒：S45C，線材：銅φ0.4mm，330 巻，磁極面径φ25）を対向

42010861st. attempt
After 2nd. attempts

00.51Input current

A1.52

Attraction force Nている．ネオジム磁石はφ30mm で厚み t=2,1mm（磁束密度：40mT，Attraction force Nと外側には永久磁石（ネオジム磁石），上部にはテーブルを設置し420

1st. attempt
After 2nd. attempts

00.5
1
Input current

1.5A(b) Current decreased

設置した場合に，相互間に作用する吸引力で微動するテーブル変位(a) Current increasedを模式的に示す．印加電流の加減で吸引力が変化し微動量を調整でFig.2 Attraction force for input current change (t=2+1,Gap=0.2)10

もなう軸間干渉が生じない工夫をしている．(c)は内側のネオジム磁石に対して吸引力を作用させた場合であり，(b)と逆方向に微動する．

Beam 1Permanent(Neodymium)magnetAttraction force N

きる．可撓機構は微動方向を中心に対称構造とすることで微動にと

8t=2+1, Gap=0.2

64t=2, Gap=52000.4

0.8
1.2Input current A

1.62Fig.3 Relationship between input current and attraction force
100Displacement μmTable
Beam 3
Beam 2(c)(a)(b)
Fig.1 Table positioning and hinges deformation

C5191
60SUS304

40200(a) Initial condition

A2017

8002468

Attraction force N(b) Attraction force occurred by outside electromagnet(c) Attraction force occurred by inside electromagnet

Fig.4 Theoretical of flexible support stiffness

2019 年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集－ 728 －102

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Displacement μm

100Displacement 10μm/div

K06

A2017 Solid : t=2+1 gap=0.2
C5191 Hollow : t=2 gap=5SUS303

8060
4020000.4

0.8
1.2Input current A

1.62Time 10sec/div
Fig.8 Coarse step feed (t=2+1mm gap1=0.2mm gap2=∞
current step=0.4A)

Fig.5 Theoretical relationship between input current andGap 2 adjust

Displacement
measuring target

Displacement μmdisplacementGap 1 adjust

C5191

PC withA/D board
ConsoleCapacitancesensor

80706050403020100C5191

00.40.8

1.2

1.62

Input current
Positioner

Fig.6 Adjustable gap

Fig.9 Average of step feed displacement based on fig.8

Stabilized DC
power supply
External
power source

Displacement 200nm/div

Electromagnet

Fig.7 Drive and measuring

ることで外側ではストロークは小さいが高分解能変位の位置決め，内側ではその逆の特性が生じる．さらに両者を連係させることで長ストロークと高分解能位置決めを容易に両立できる．図 7 は電磁石駆動と変位計測を示す．電流は直流安定化電源で印加し，外部電圧

C5191Time 10sec/divで各々の磁力を個別に調整できる．変位は静電容量変位計で計測し，Fig.10 Fine step feed (t=2mm gap1=5mm gap2=∞ current step=10mA)

PC でデータを取得する．

Displacement 10μm/div

5. ステップ微動特性
ステップ微動特性を調べた．ここでは可撓機構に C5191 を設定した場合の長ストロークおよび高分解能，さらに両者を連係させたス
テ ッ プ 応 答 を 示す ． 図 8 は 長 ス ト ロ ー ク 変 位を 得 る 目 的 で
t=2+1mm ,Gap1=0.2mm,Gap2=∞に設定し，印加電流を最大 2A まで0.4A ステップで往復微動させた結果である．電流変化に追随して階段状の微動変位が得られている．図 9 に印加電流と図 8 のステップ

C5191

CoarseFine

Time 10sec/div

ごとの変位を平均した値との関係を示す．2A 印加時の最大変位はFig.11 Cooperative of coarse and fine step feed
(t=2+1mm gap1=0.2mm current step=0.4A and
t=2mm gap2=5mm current step=10mA)

約 71μm であり，
図 5 の理論値と傾きの比較で約 16％大きくなった．
図 10 に高分解能変位が得られる t=2mm ,Gap1=5mm,Gap2=∞でのステップ

Displacement 200nm/div応答を示す．
階段状変位を判別可能な最小印加電流は 10mAであり，ステップ変位（変位分解能に相当）は約 131nm であった．図 11 は
t=2+1mm，gap1=0.2mm，0.4A ステップおよび，t=2mm，gap2=5mm，10mA ステップに設定し，長ストローク（内側）と高分解能（外側）を組み合わせて連係微動を行った結果を示す．図 12 は高分解能ス
テップ応答を拡大して示す．図より長ストロークと高分解能のステップ微動が連続して表れており，両者の連係微動が可能であること

C5191が分かる．なお，連係微動の最大変位は 69μm，変位分解能は 137nm

Time 10sec/divであり，長ストロークおよび高分解能のステップ微動をそれぞれ単Fig.12 Zoomed in fine step feed section of fig.11

独で行った場合とほぼ同等の結果が得られた．

4)

6. 結 言1)

磁極間隔と永久磁石の厚みを適切に設定することで長ストローク変位：71μm と高分解能のステップ微動（ステップ変電磁石と永久磁石の吸引力を利用して非接触で駆動力を伝位：131nm）が得られた．

達する可撓支持微動テーブルを提案した．

5)

長ストロークと高分解能を組み合わせた連係微動が可能で2) 構造的に軸間干渉を排除した 3 本のはりで構成する可撓機構あることを示し，それぞれ 69μm，137nm であった．

を設計し，内外両方向に微動可能な微動装置を開発した．

文献 (1) 田丸ほか精密工学会秋季大会講論(2018)，pp. 494-495

吸引力の校正および可撓機構の剛性解析によって印加電流

謝辞 本研究は公益財団法人 JKA 補助事業（競輪）の支援を受け3)に対する微動変位を予測した．て実施したものである．ここに記して謝意を表す．

2019 年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集－ 729 －