JP2006161868A - Actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、装置の小型化と振動の発生や破断を防止し得るアクチュエータに関する。 The present invention relates to an actuator that can reduce the size of an apparatus and prevent vibrations from being generated or broken.
一般に、これまでのアクチュエータは、例えば、図7に示すような構成になっている。
まず、基台201があり、この基台201上にはボールねじ203が配置されている。このボールねじ203は、その両端を上記基台201上に設置された軸受け部材205、207によって回転可能に支持されている。又、モータ209が配置されていて、上記ボールねじ203は、このモータ209の出力軸に、図示しないカップリング機構を介して連結されている。上記ボールねじ203にはボールねじナット211が螺合していて、このボールねじナット211にはスライダ213が取付けられている。このスライダ213は、スライダ本体215と、このスライダ本体215に取付けられたガイドブロック217から構成されている。又、基台201側にはレール219が設けられていて、上記ガイドブロック217はこのレール219に移動可能に係合している。
In general, the conventional actuator has a configuration as shown in FIG. 7, for example.
First, there is a
上記構成によると、モータ209を適宜の方向に回転させると、ボールねじ203が同方向に回転する。このボールねじ203の回転によって、その回転を規制されているボールねじナット211が適宜の方向に移動する。このボールねじナット211の移動によって、スライダ213も同方向に移動していくことになる。
According to the above configuration, when the
ところで、上記構成をなすアクチュエータにおいては次のような問題があった。
すなわち、上記アクチュエータは、回転運動を直線運動に変換するものであり、その際、ボールねじ203に固有振動数(f)が存在しているため、ボールね203の回転数が固有振動数(f)と一致する領域ではボールねじ203が大きく振動してしまうことになる。この固有振動数(f)はボールねじ203の長さ、太さ、ボールねじ203の端部における支持状態等によって決定される。そこで、ボールねじ203の回転数がボールねじ203の固有振動数(f)に対して共振しないような工夫が必要になってくる。
ところで、軸の固有振動数(f)は、一般に、次の式(I)によって求められる。
However, the actuator having the above configuration has the following problems.
That is, the actuator converts a rotational motion into a linear motion. At this time, since the natural frequency (f) exists in the
By the way, the natural frequency (f) of the shaft is generally obtained by the following equation (I).
E:縦弾性係数
I:ねじ軸断面の最小二次モーメント
A:ねじ軸断面積
ρ:材料の密度
E: Longitudinal elastic modulus I: Minimum secondary moment of screw shaft cross section A: Screw shaft cross section ρ: Material density
そして、上記式(I)によって求められた固有振動数(f)に対して、その80%以下を許容回転数(n)としている。例えば、図8に示すような取付状態を例にとって考察してみる。尚、図8においては、図7における構成部品と同じものには同一符合を付して示している。この図8に示すような取付状態の場合において、その固有振動数(f)が最低となるのは、図中距離(B)が最大になったときである。そして、そのときの許容回転数(n)は次の式(II)に示すようなものである。 Further, 80% or less of the natural frequency (f) obtained by the above formula (I) is set as the allowable rotational speed (n). For example, consider the mounting state as shown in FIG. In FIG. 8, the same components as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals. In the case of the mounting state as shown in FIG. 8, the natural frequency (f) becomes the lowest when the distance (B) in the figure becomes the maximum. The allowable rotational speed (n) at that time is as shown in the following formula (II).
α=0.8
α = 0.8
このように、ボールネジ203の回転数をその固有振動数(f)に対して共振しないような値、すなわち、固有振動数(f)の80%以下に設定することにより、共振による振動を抑制することができる。
しかしながら、式(I)、(II)は、仮に、ボールネジ203のねじ軸断面積(A)が同じで、その長さ(L)が2倍になると、許容回転数(n)が1/4に低下することを示しており、機器の高速化にとって問題となっていた。
Thus, by setting the rotation speed of the
However, in equations (I) and (II), if the screw shaft cross-sectional area (A) of the
これに対しては、図7に示すような取付状態において、中間(ボールナット211と軸受部材207の間、ボールナット211と軸受部材205の間)にサポートを取付けることにより、ボールネジ203の固有振動数(f)そのものを高めて、それによって、許容回転数(n)を高めようとすることが考えられている。そのようなものの一例を図9に示す。この図9に示す構成は、基台201上に中間サポート221を取付けて、この中間サポート221によって、ボールネジ203を支持しようとするものである。そして、このような中間サポート221を設置した場合には、ボールナット211、スライダ213等、ボールネジ203の回転によって移動するものとの干渉が懸念される。そこで、図9に示すように、リミットスイッチ223を設け、該リミットスイッチ223によって、上記ボールナット211、スライダ213等、ボールネジ203の回転によって移動するものの接近を検知し、それによって、中間サポート221を待機位置に退避させる構成になっている(特許文献1参照)。
In response to this, by mounting a support in the middle (between the
又、別の発明として特許文献2に示すものがある。ここに示されている構造では、中間位置に予め支持部材が係留するような窪みを基台に形成し、該窪みにバネを利用して支持部材を位置決めする。そして、スライダが支持部材に当接する事で係留を解放して移動させる構造である。
しかしながら、従来の特許文献1(特許第3221804号)にあっては、中間サポートを紐体により移動させられていたため、急激な加速、減速時に紐が伸縮し、振動の発生や、破断という課題があった。
また、特許文献2(特開平1−247862号公報)にあっては、装置の構成の複雑化、大型化を帰するという課題があった。
However, in the conventional patent document 1 (Japanese Patent No. 3221804), since the intermediate support is moved by the string body, the string expands and contracts during rapid acceleration and deceleration, and there is a problem of generation of vibration or breakage. there were.
Further, Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 1-224762) has a problem that the configuration of the apparatus is complicated and large.
本発明は、中間サポートの移動をラックとピニオン機構により行うことで、装置の小型化と振動の発生や破断という、上記の問題点を解決することができるアクチュエータを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an actuator capable of solving the above-mentioned problems of downsizing of the apparatus and generation and breakage of vibration by moving the intermediate support by a rack and pinion mechanism.
本発明は、上記課題を解決するため、基台上に配置された一対の軸受部材によって両端を回転可能に支持された送りねじ軸を回転駆動するとともに、該送りねじ軸に螺合する送りねじナットを移動体に固定し、該移動体を上記基台上に上記送りねじ軸に沿って設けられた案内レールに従って移動させるように構成したアクチュエータにおいて、上記移動体とその両側の軸受部材との間に、上記送りねじ軸のラジアル荷重を受けると共に該送りねじ軸方向に上記移動体と連動する一対の中間サポートを上記送りねじ軸に移動可能に取付け、上記移動体の動きをラックとピニオン機構を介して上記中間サポートに伝達したことにある。
また、本発明は、上記中間サポートをそれぞれ支持する支持ブラケットを上記案内レールに沿って移動可能に設けるとともに、上記支持ブラケット相互間をラック面を備えた連結棒で連結し、かつ上記移動体に、上記送りねじ軸と直交する方向の軸を回転自在に取り付け、該軸の一端に大歯車を、他端に小歯車を設け、上記大歯車を上記送りねじ軸に沿って設けられたラックに噛合させ、かつ上記小歯車を、上記連結棒に設けられたラックに噛合させ、上記送りねじ軸に従って上記移動体の最大限の移動距離を許容する範囲内で、上記中間サポートが上記移動体と軸受部材との間を移動するように上記大歯車と小歯車の歯数比を設定したことにある。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention rotationally drives a feed screw shaft rotatably supported at both ends by a pair of bearing members arranged on a base, and feeds the screw into the feed screw shaft. In an actuator configured to fix a nut to a moving body and move the moving body according to a guide rail provided along the feed screw shaft on the base, the moving body and bearing members on both sides thereof are provided. A pair of intermediate supports that receive a radial load of the feed screw shaft and interlock with the moving body in the direction of the feed screw shaft are movably attached to the feed screw shaft, and the movement of the moving body is coupled to a rack and pinion mechanism. It has been transmitted to the intermediate support via.
Further, the present invention provides support brackets that respectively support the intermediate support so as to be movable along the guide rails, connect the support brackets to each other with a connecting rod having a rack surface, and connect to the moving body. The shaft in a direction orthogonal to the feed screw shaft is rotatably mounted, a large gear is provided at one end of the shaft, a small gear is provided at the other end, and the large gear is mounted on a rack provided along the feed screw shaft. The intermediate support is engaged with the moving body within a range in which the small gear is meshed with a rack provided on the connecting rod and the maximum moving distance of the moving body is allowed according to the feed screw shaft. The gear ratio of the large gear and the small gear is set so as to move between the bearing members.
本発明のアクチュエータの効果としては、構成の複雑化、装置の大型化をすることなく、きわめて簡単な構成によって、送りねじ軸の支持構造を得ることができる。そして、送りねじ軸固有振動数ひいては許容回転数を高めることを可能とし、それによって高速化、ロングストロークに容易に対応することが可能になる。また、ラックとピニオン機構にすることで、長寿命、剛性、かつ加速度が高くなるなどの効果が得られる。 As an effect of the actuator of the present invention, a feed screw shaft support structure can be obtained with a very simple configuration without complicating the configuration and increasing the size of the apparatus. Then, it is possible to increase the natural frequency of the feed screw shaft, and thus the allowable rotational speed, thereby making it possible to easily cope with high speed and long stroke. Further, by using a rack and pinion mechanism, effects such as long life, rigidity, and acceleration can be obtained.
以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
図1(a)(b)は、本発明の実施の形態によるアクチュエータの構造を示す断面図である。図2は、図1(a)のテーブルが左方に移動した状態を示す断面図である。
図1(a)(b)において、1は例えばボールねじ等を用いた送りねじ軸、2はこの送りねじ軸1に螺合されたボールナット等を用いた送りねじナットである。送りねじ軸1の両端部は、基台3に間隔Lを隔てて固定された2個のフランジ4a,4bにそれぞれ取り付けられた軸受部材5a,5bによって回転自在に支持されている。上記送りねじ軸1の一方の軸端は、カップリング7を介して、軸受けフランジ4aの外面に固着されたプレート6に取り付けられたモータ10の出力シャフト10aに連結されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A and 1B are cross-sectional views showing the structure of an actuator according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state where the table of FIG. 1A has moved leftward.
1A and 1B,
上記送りねじナット2は、図3に示すように、上記送りねじ軸1が貫通された移動体としてのテーブル8の貫通孔8aの片側端面に筒状の基端部2aを圧入して取り付けられている。上記テーブル8は、基台3上に送りねじ軸1と平行に配置されているリニアガイド3A上に支承され、上方に突出した左右のテーブル面8A相互間を、フランジ4a,4b間に張設されたカバー18により覆われている。このリニアカイド3Aは、軸方向に長く延び、基台3上に固定された案内レール9と、該案内レール9の上に移動可能に跨架されたテーブル8の下面に固定されたスライダ11とを備えている。該案内レール9の両外側面とスライダ11の内側面には、互いに対向するボール転動溝(図示せず)が配設され、これらの両ボール転動溝の間には、多数のボールが転動自在に装填され、そのボールの転動を介してスライダ11が案内レール9上を軸方向に軽く移動するようにしたものである。
As shown in FIG. 3, the
上記テーブル8と軸受部材5a,5bとの間には、前記案内レール9上に2個のスライダ21A,21Bが取り付けられている。
そして、これら2個のスライダ21A,21Bの上面に、ブラケット22A,22Bが固定され、これらブラケット22A,22Bに、送りねじ軸1のラジアル荷重を受けられる一対の中間サポート20A,20Bが回転可能に支持されている。該ブラケット22A,22Bには、貫通孔22cが設けられ、該貫通孔22cには、該貫通孔22cの内周面と中間サポート20A,20Bの外周面とに僅かな隙間を設けて、該中間サポート20A,20Bが回転可能に支持されている。該中間サポート20A,20Bは、一端にフランジ23A,23Bが設けられ、該フランジ23A,23Bが上記ブラケット22A,22Bの片面に係止されて取り付けられている。
この中間サポート20A,20Bの外周面には、止め輪17が装着されて上記フランジ23A,23Bと止め輪17によって上記ブラケット22A,22Bの両側壁面を挟み、上記ブラケット22A,22Bに組み付けられている。
各中間サポートは20A,20Bは、すべり軸受けであり、送りねじ軸1が僅かな隙間を保って挿通されている。
Two
The
Retaining rings 17 are attached to the outer peripheral surfaces of the
Each
これら中間サポート20A,20Bは、ねじナット2の両側に位置して配設され、およそL×Z2/Z1の間隔をへだてて連結棒12とブラケット22A,22Bとが締結されることで連動的に連結している。テーブル8の幅方向には、送りねじ軸1と直交する方向の孔8bが形成され、この孔8bには、軸13が回転自在に支持されている。この軸13の両端には、大歯車14(ピッチ円径Z1)と小歯車15(ピッチ円径Z2)とが固定装着され、基台1上に送りねじ軸1と平行に固定されたラック16と上記大歯車14が噛み合い、上記小歯車15が連結棒12の長手方向に設けられたラック12aと噛み合うように配設されている。上記中間サポート20A,20Bは、テーブル8が移動すると、ラック16と噛み合いながら大歯車14が回転するように構成されており、この大歯車14の回転が、軸13を介して小歯車15に伝達されるように構成されている。この小歯車15は、連結棒12に設けられたラック12aに噛合し、小歯車15の回転に応じた長さだけ、連結棒12を移動する。連結棒12はテーブル8の移動した距離、△LのZ2/Z1分だけ連動して移動することが可能となる。上記送りねじ軸1に従って上記テーブル8の最大限の移動距離を許容する範囲内で、上記中間サポート20A,20Bが上記テーブル8と軸受部材5a,5bとの間を移動するように上記大歯車14と小歯車15のピッチ円径比Z2/Z1を設定している。
These
次に、上記の実施の形態の作用を説明する。
モータ10を駆動すると、モータ10の回転に伴って、送りねじ軸1が所定の方向へ回転する。これにより、送りねじ軸1に螺合している、ねじナット2が、たとえば、図1(a)で左方に移動し、これに伴ってテーブル8がリニアガイド3Aに案内されつつ、図示、左方に移動する。
このとき、送りねじ軸1の支点間距離Lが長いと、L2の値に反比例する危険速度uの値が小さいから、送りねじ軸1は比較的低速で共振するおそれがある。
しかし、ねじナット2を挟むようにして中間サポート20A,20Bを設けたため、支点間距離(支持スパン)が最大値でもL/2となり、その結果危険速度はuの4倍と大幅にアップし、共振しにくくなる。この実施例では、ねじナット2の動きに対して一対の中間サポート20A,20Bとがラック16と大歯車14かつ連結棒12と小歯車15との噛合を介して大歯車14と小歯車15のピッチ円径比Z2/Z1に従って連動する。
Next, the operation of the above embodiment will be described.
When the
At this time, if the distance L between the fulcrums of the
However, since the
すなわち、今、図5において、両側の軸受5a,5b間の距離Lを右側から1/4づつに区切る点をP0,P1,P2,P3,P4とする。
ねじナット2と中間サポート20A,20Bとが共に送りねじ軸1の右端P0点にあるとする(図5(a))。このとき支持スパンは、送りねじ軸1の左端(P4点)と中間サポート20A(P2点)間において最長で、P2〜P4=L/2である。この状態から、テーブル8が左方に移動し、これに伴い、ねじナット2が左方に移動しつつ、ラック16に沿って大歯車14が回転し、軸13の回転に伴って小歯車15が回転し、小歯車15の回転とともに連結棒12が移動し、中間サポート20A,20Bを移動させる。ラック16と大歯車14、かつ連結棒12と小歯車15との噛み合い機構の作用で、ねじナット2の移動量△Lに対して、△L×Z2/Z1の割合で中間サポート20A,20Bも移動する。Z2/Z1=0.5とすると、ねじナット2の移動量に対して1/2の割合で中間サポート20A,20Bも移動する。したがって、ねじナット2が右端からL/4移動してP1点に達したとき、左端の軸受け5aと中間サポート20A間の支持スパンaは、a=3/8Lになり、従来の場合におけるL/2より短縮されている(図5(b))。
That is, in FIG. 5, the points that divide the distance L between the
It is assumed that the
更に、ねじナット2がL/4左方に移動してP2点に達したときは、中間サポート20AはL/8左方に進行しており、P3点の位置になり、支持スパンaはa=L/4に縮小している(図5(c))。
これから更にねじナット2がL/4左方に移動してP3点に達したときは、中間サポート20AはL/8左方に進行しており、P3〜P4点の中間の位置になり、支持スパンaはa=L/8に縮小している(図5(d))。
また更にねじナット2がL/4左方に移動してP4点に達したときは、中間サポート20Aは、L/8左方に進行しており、左端P4点の位置になる。このとき支持スパンaは、a=0になる。一方、右側の中間サポート20Bは、P2地点になり、右端P0点との間の支持スパンdは、最長のL/2となる。(図5(e))。
かくして、左方の支持スパンaは、ねじナット2の左方移動と共に順次縮小していき、左端において零となり、反対に右方の支持スパンdは、ねじナット2の左方移動と共に順次拡大していき、最大L/2となる。
Further, when the
When the
Further, when the
Thus, the left support span a gradually decreases with the leftward movement of the
次に、モータ10を反対方向に回転させると、ねじナット2はテーブル8と共に図1(a)で右方に移動を始める。ねじナット2が左端から右方へ移動する場合は、軸受5a,5bと中間サポート20Bとの支持スパンdが上記支持スパンaと同様に連続的に縮小されていく。(図5(e)→(a))。
Next, when the
図6は上記の支持スパンの変化を表したもので、直線20aは中間サポート20Aの往復移動線、直線20bは中間サポート20Bの往復移動線、直線L2は、ねじナット2の往復移動線である。
FIG. 6 shows the change in the support span. The
また、本発明はZ2/Z1=0.5に限定したものではなく、1>Z2/Z1≦0.5の範囲で、使用するモータ回転数と支持スパンから、ねじ軸1が共振することなく、かつ中間サポート20A,20Bの移動距離を短くし、摩耗が少なくなるような効率的な値を選択できることも、特徴の一つである。各中間サポートは20A,20Bはすべり軸受けに限定されず、送りねじ軸1とボールを介して螺合されたねじナットを使用しても良い。
Further, the present invention is not limited to Z2 / Z1 = 0.5, and in the range of 1> Z2 / Z1 ≦ 0.5, the
以上説明してきたように、本発明によれば、以下に列挙する効果が得られる。
本発明によるアクチュエータによると、構成の複雑化、装置の大型化をすることなく、きわめて簡単な構成によって、送りねじ軸の支持構造を得ることができる。そして、送りねじ軸の固有振動数ひいては許容回転数を高めることを可能とし、それによって高速化、ロングストロークに容易に対応することが可能になる。従来(特許3221804号)のように滑車により中間サポートを駆動すると、紐体による駆動になるため、剛性が不充分となり、耐久性がなくなるのに対し、本発明ではラックとピニオン機構にすることで、長寿命、剛性、かつ加速度が高くなるなどの効果が得られる。尚、本発明は前記各実施例に限定されるものではない。たとえば、径比Z2/Z1=0.5に限定したものではなく、1>Z2/Z1≦0.5の範囲で、使用するモータ回転数と支持スパンから、ねじ軸が共振することなく、かつ中間サポート20A,20Bの移動距離を短くし、摩耗が少なくなるような効率的な値を選択できることも、特徴の一つである。又、前記各実施例では、送りねじ軸1としてボールネジを使用し、送りナット2としてボールナットを使用する場合を示したが、必ずしも、ボールネジとボールナットに限定されるものではない。例えば、角ネジ、台形ネジ等を用いる場合にも有効である。又、支持部材の形状等についても同様である。
As described above, according to the present invention, the effects listed below can be obtained.
According to the actuator of the present invention, a feed screw shaft support structure can be obtained with a very simple configuration without complicating the configuration and increasing the size of the apparatus. Then, it is possible to increase the natural frequency of the feed screw shaft, and thus the allowable rotational speed, and thereby it is possible to easily cope with high speed and long stroke. When the intermediate support is driven by a pulley as in the prior art (Patent No. 3221804), it is driven by a string, so that the rigidity becomes insufficient and the durability is lost. In the present invention, the rack and pinion mechanism is used. Such effects as long life, rigidity, and high acceleration can be obtained. The present invention is not limited to the above embodiments. For example, the diameter ratio is not limited to Z2 / Z1 = 0.5, and in the range of 1> Z2 / Z1 ≦ 0.5, the screw shaft does not resonate from the motor rotation speed and the support span used, and One of the characteristics is that the
1 送りねじ軸
2 送りねじナット
3 基台
3A リニアガイド
4a,4b フランジ
5a,5b 軸受部材
8 テーブル(移動体)
9 案内レール
10 モータ
12 連結棒
12a、16 ラック
13 軸
14 大歯車
15 小歯車
17 止め輪
18 カバー
20A,20B 中間サポート
21A,21B スライダ
22A,22B ブラケット
DESCRIPTION OF
9
Claims (2)
Support brackets that respectively support the intermediate support are provided to be movable along the guide rails, the support brackets are connected to each other by a connecting rod having a rack surface, and the moving body is connected to the feed screw shaft. A shaft in an orthogonal direction is rotatably attached, a large gear is provided at one end of the shaft, a small gear is provided at the other end, the large gear is engaged with a rack provided along the feed screw shaft, and the small gear is provided. A gear is meshed with a rack provided on the connecting rod, and the intermediate support moves between the moving body and the bearing member within a range that allows the maximum moving distance of the moving body according to the feed screw shaft. 2. The actuator according to claim 1, wherein a diameter ratio between the large gear and the small gear is set so as to move.
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