JP4860623B2 - マイクロアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、駆動手段を内蔵し、入力信号に応じてスプライン軸とスプラインナットが相対的に移動可能なアクチュエータに係り、特に、直径１０ｍｍ程度にまで小型化し、各種産業機器に利用可能なマイクロアクチュエータに関する。

従来、電気的な入力信号を移動部材の直線運動に変換して出力するリニアアクチュエータは、大きくは、外力を負荷しながら移動部材を直線案内する案内機構と、前記移動部材を前記案内機構に沿って進退させる駆動機構とから構成されている。前記駆動機構としては種々のものが知られており、例えば、油圧シリンダ又はエアシリンダを駆動源とし、ピストンの直線往復運動をそのまま前記移動部材に伝達するように構成したリニアアクチュエータや、モータを駆動源とし、ボールねじを用いて前記モータの回転運動を直線運動に変換するようにしたアクチュエータが知られている。また、固定子と可動子とから構成されるリニアモータを駆動源とし、リニアモータの直線往復運動をそのまま前記移動部材に伝達するように構成したリニアアクチュエータも知られている。

必要とされる移動部材の推力、荷重負荷能力、移動速度、精度等に応じ、前記駆動機構と案内機構の組み合わせは様々であるが、任意の駆動機構と案内機構を単純に組み合わせただけでは、リニアアクチュエータのサイズが大型化してしまい、使い勝手の悪いものとなってしまう。

特開２００３−２７８８７３には、前記駆動機構を案内機構に内蔵した比較的コンパクトな構造のリニアアクチュエータが開示されている。このリニアアクチュエータは、中空部を有する円筒状ハウジング内にねじ軸及びボールナットからなるボールねじを収容すると共に、かかる中空部内で前記ねじ軸を回転自在に支承している。前記円筒状ハウジングの一端にはモータが固定され、このモータで前記ねじ軸に任意の回転を与えることができるようになっている。また、前記ハウジングの外周面には軸方向に沿ってスプライン溝が形成される一方、このハウジングの外側には前記スプライン溝を介して筒状移動部材が嵌合しており、この筒状移動部材はハウジングに対する相対的な回転を阻止された状態で該ハウジングの軸方向へ自在に移動可能となっている。更に、前記ハウジングにはスリット状の開口部が軸方向に沿って形成されており、この開口部を介して前記ボールねじのボールナットが前記移動部材と結合されている。

このような構成のアクチュエータは、前記モータを回転させてハウジングの中空部内に収容されたねじ軸に任意の回転を与えると、かかるねじ軸の回転に応じてボールナットが中空部内を移動し、ハウジングの外側では筒状移動部材がボールナットと共に軸方向へ移動する。従って、前記モータの回転方向及び回転量に応じて筒状移動部材をハウジングの軸方向に沿って任意方向へ任意量だけ移動させることができるものである。
特開２００３−２７８８７３

しかし、このようにハウジング内にボールねじを収容すると、前記ねじ軸に螺合するボールナットはボールの無限循環路を具備していることから、その直径を極端に小さくすることはできず、中空部内にボールナットを収容するハウジングも直径が大きくならざるを得ない。また、前記ねじ軸を駆動するモータはブラケットを介して前記ハウジングの長手方向の一端に固定されるため、筒状移動部材のストローク距離とリニアアクチュエータの全長との差が大きくなせざるを得ず、用途に対して必要とする移動部材のストローク距離が短い場合であっても、リニアアクチュエータの全長をそれほど短くすることができなかった。更に、前記ねじ軸はその両端を軸受によって支承する必要があり、かかる軸受をハウジングの中空部内に収容して固定する必要があることから、ハウジングに対するねじ軸の組み付け作業に手間がかかり、しかも構成部品の点数が多くコストが嵩むといった問題点もあった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、移動部材のストローク距離と全長との差を小さくすると共に、ストローク方向と直交する断面積をも小さくして全体的にしてコンパクトに構成することができ、直径１０ｍｍ程度に小型化することが可能なマイクロアクチュエータを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、部品点数が少なく、容易に組立を行うことが可能なマイクロアクチュエータを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明のリニアアクチュエータは、中空部を有して筒状に形成されると共に軸方向に沿ってスリット開口が形成されたスプライン軸と、このスプライン軸に嵌合すると共に当該スプライン軸をその軸方向へ案内するスプラインナットと、前記スプライン軸の両端開口に固定される一対のエンドキャップと、これらエンドキャップによって前記スプライン軸の中空部内に両端支持されるマグネットロッドと、前記スプライン軸の中空部内で前記マグネットロッドの周囲に遊嵌して当該マグネットロッドと相まってリニアモータを構成すると共に、前記スリット開口を介して前記スプラインナットと結合されたフォーサと、から構成されている。

前記マグネットロッドはその両端が前記エンドキャップに嵌合し、前記エンドキャップをスプライン軸の両端開口に固定することで、かかるマグネットロッドがスプライン軸の中空部内に支持されるようになっている。前記フォーサはコイル部材を内蔵しており、かかるコイル部材に電気信号を印可すると、フォーサはマグネットロッドに遊嵌した状態でスプライン軸の中空部内を軸方向へ推進される。その結果、スプライン軸のスリット開口を介して前記フォーサと結合されたスプラインナットがスプライン軸の外側において軸方向へ推進されることになる。

このような本発明のマイクロアクチュエータでは、一対のエンドキャップによってスプライン軸の両端開口を閉塞することによって、前記マグネットロッドがスプライン軸の中空部内に支持されており、案内機構としてのスプライン軸の内部に駆動機構としてのリニアモータを完全に収容しているので、移動部材、すなわち前記スプラインナットのストローク長とアクチュエータの全長との差を小さくすることができる。また、マグネットロッドの周囲にフォーサを遊嵌させる所謂ロッドタイプのリニアモータを使用しているので、フォーサを小型化しても充分な推力を得ることができ、かかるフォーサを中空部に収容するスプライン軸の直径を小さく設定することが可能となる。これにより、本発明によれば、極めて小型化されたリニアアクチュエータ、すなわちマイクロアクチュエータを得ることが可能となる。

また、前述の如く本発明のマイクロアクチュエータでは、リニアモータを構成するマグネットロッドを一対のエンドキャップによってスプライン軸に固定する一方、フォーサをスプラインナットに結合するのみで組み立てが略完了するので、構成部品の点数が少なく、容易に組立を行うことが可能であり、その分、低コストで生産することが可能である。

本発明のマイクロアクチュエータの第一の実施形態を示す全体斜視図である。 図１に示すマイクロアクチュエータを長手方向に沿って縦に切り欠いた斜視図である。 図１に示すマイクロアクチュエータを長手方向に沿って横に切り欠いた斜視図である。 図１に示すマイクロアクチュエータをスプラインナットの中心で長手方向と垂直に切り欠いた斜視図である。 本発明のマイクロアクチュエータの第二の実施形態を示す全体斜視図である。 図５に示すマイクロアクチュエータを裏側から観察した全体斜視図である。 本発明のマイクロアクチュエータの第三の実施形態を示す全体斜視図である。

符号の説明

１…スプライン軸、２…スプラインナット、３…リニアモータ、５…エンドキャップ、１２，１３…スリット開口、３０…マグネットロッド、３１…フォーサ

以下、添付図面に沿って本発明のマイクロアクチュエータを詳細に説明する。

図１乃至図４は本発明のマイクロアクチュエータの第一の実施形態を示すものであり、図１は全体斜視図、図２は長手方向に沿って縦に切り欠いた斜視図、図３は長手方向に沿って横に切り欠いた斜視図、図４は後述するスプラインナットの中心で長手方向と垂直に切り欠いた斜視図である。このマイクロアクチユエータは、中空部１０を有して略円筒状に形成されたスプライン軸１と、多数のボールを介してこのスプライン軸１の外側に嵌合したスプラインナット２とを備え、前記スプライン軸１の中空部１０内に収容されたリニアモータ３の発生する推力を用いて、前記スプラインナット２をスプライン軸１の軸方向へ往復運動させることができるように構成されている。

前記スプライン軸１は中空部１０を有して円筒状に形成されており、その外周面には１８０°位相をずらして２条のボール転走溝１１が形成されている。また、このスプライン軸１には前記ボール転走溝１１と位相を９０°ずらした位置に軸方向に沿った一対のスリット開口１２，１３が設けられている。これらスリット開口１２，１３は前記中空部１０を挟んで対向しており、スプライン軸１の内外を連通している。実際の試作では、前記スプライン軸１の外径を約７ｍｍ、内径を約５ｍｍとした。

一方、前記スプラインナット２は、その内径が前記スプライン軸１よりも僅かに大きな略円筒状に形成されており、前記スプライン軸１のボール転走溝１１を転走する多数のボール４を介してスプライン軸１の外側に嵌合している。このスプラインナット２は、ナット本体２０と、このナット本体２０の軸方向の両端面に固定される一対のエンドプレート２１とから構成されている。

ナット本体２０の内周面には前記スプライン軸１のボール転走溝１１と相対向する負荷転走溝２２が形成されており、前記ボール４はこれらボール転走溝１１と負荷転走溝２２との間で荷重を負荷しながら転走する。また、ナット本体２０には前記負荷転走溝２２と平行にボール戻し通路２３が形成されており、これらボール戻し通路２３は前記負荷転走溝２２と半径方向に重なった位置に存在している。一方、前記エンドプレート２１にはナット本体２０の負荷転走溝２２と前記ボール戻し通路２３との間でボール３を往来させる方向転換路２４が形成されており、一対のエンドプレート２１をナット本体２０の軸方向の両端面に固定してスプラインナット２を組み立てると、かかるスプラインナット２にボール４の無限循環路２５が具備されるようになっている。尚、図２では、スプライン軸１を挟んで対向する位置に形成された２つの無限循環路２５のうち、一方の無限循環路２５についてだけボール４が配列されているが、実際にはボール４が描かれていない無限循環路２５についても全周にボール４を組み込んで使用する。

従って、前記スプラインナット２をスプライン軸１に沿って移動させると、ボール４がナット本体２０とスプライン軸１との間で荷重を負荷しながら前記無限循環路２５内を循環し、スプラインナット２をスプライン軸１に沿って連続的に移動させることができるものである。また、スプラインナット２には図１の裏側の位置にねじ孔が設けられており、このねじ孔に固定ねじを螺合させることで、前記スプラインナット２を他の機械装置などに固定することが可能となっている。従って、このマイクロアクチュエータは、スプラインナット２を固定し、かかるスプラインナット２に支承されたスプライン軸１を軸方向へ進退させるようにして使用される。尚、実際の試作では、前記ボール４として直径０．４ｍｍの鋼球を使用した。

一方、前記スプライン軸１の中空部１０内にはリニアモータ３の固定子としてのマグネットロッド３０が収容されている。かかるマグネットロッド３０は軸方向に沿って永久磁石のＮ極及びＳ極を交互に配列したものであり、スチールパイプの内部に多数の永久磁石を詰め込んで製作しても良いし、成形された丸棒に対して後から着磁して磁極を形成するようにしても良い。

前記スプライン軸１の軸方向両端の開口部には一対のエンドキャップ５が嵌合しており、スプライン軸１の中空部１０を軸方向から閉塞している。これらエンドキャップの中心には前記マグネットロッド３０の端部を嵌合させる保持孔５０が夫々形成されており、一対のエンドキャップ５をスプライン軸１に固定することにより、前記マグネットロッド３０がスプライン軸１の中空部１０内で両端支持梁の如く保持され、スプライン軸１の軸方向、すなわちスプラインナット２の移動方向と平行に位置決めされるようになっている。尚、図中における符号５１は前記エンドキャップ５をスプライン軸１に固定するための止めねじである。

また、前記マグネットロッド３０の周囲にはリニアモータ３を構成するフォーサ３１が僅かな隙間を保って遊嵌している。このフォーサは熱伝導性に優れたアルミニウムで形成されると共に、前記マグネットロッドが貫通する中空部を有し、かかる中空部の内周面には固定子としての励磁コイル（図示せず）が収納されている。励磁コイルはＵ，Ｖ及びＷ相の３つのコイルを１組とするコイル群を有している。いずれの相の励磁コイルもリング状であり、マグネットロッド３０の外周面と僅かな隙間を介して対向している。また、各相の励磁コイルの配列ピッチはマグネットロッドにおける永久磁石の配列ピッチよりも短く設定されている。マグネットロッド３０にはＳ極の磁極からＮ極の磁極に向かって磁束が形成されており、コイル部材にはその磁束密度を検出する磁極センサ（図示せず）が内蔵されている。従って、この磁極センサの出力する検出信号から励磁コイルに対するマグネットロッドの各磁極（Ｎ極及びＳ極）の位置関係が把握される。励磁コイルへの通電を制御しているコントローラは前記磁極センサの検出信号を受信し、励磁コイルとマグネットロッドの各磁極との位置関係に応じた最適な電流を演算し、それを各励磁コイルに通電する。その結果、各励磁コイルに流れる電流と永久磁石によって形成される磁束との相互作用によって、励磁コイルと永久磁石の各磁極との間に吸引力及び反発力が発生し、フォーサ３１がマグネットロッド３０の軸方向へ推進されることになる。

図３に示されているように、前記フォーサ３１の一部はスプライン軸１の一方のスリット開口１２に差し込まれており、固定ねじ３２によってスプラインナット２と結合されている。これにより、フォーサ３１がマグネットロッド３０の軸方向へ推進されると、スプラインナット２がスプライン軸１の軸方向へ推進されることになる。

また、図１及び図３に示されるように、スプライン軸１の他方のスリット開口１３には、リニアスケール３３がスプライン軸１の軸方向と平行に配設されている。このリニアスケール３３はマグネットスケールとして構成されており、断面円形状の金属製ワイヤに対してＮ極及びＳ極の磁極が所定のピッチで交互に配列されている。このリニアスケールは台座３４を用いてスリット開口１３内に固定されている。

更に、図４に示すように、前記スリット開口１３内には前記リニアスケール３３の磁極を検出する読取ヘッド３５がスプライン軸１の外側から挿入されており、この読取ヘッド３５はブラケット３６を介してスプラインナット２に固定されている。これにより、スプラインナット２がスプライン軸１に沿って移動すると、前記読取ヘッド３５がリニアスケール３３に沿って移動しながら磁極の変化に対応したパルス信号を出力し、かかるパルス信号をモニターすることにより、スプライン軸１に対するスプラインナット２の移動量を検出することが可能となっている。尚、前記リニアスケール３３はマグネットスケールとして構成する必要はなく、例えばラダー状のパターンが描かれて、光学的な方法によって読み取られるものであって差し支えない。

そして、以上のように構成されたマイクロアクチュエータでは、スプライン軸１の中空部１０内に駆動機構としてのリニアモータ３を完全に内蔵することができ、駆動機構と案内機構の融合化を図りつつ、非常にコンパクトなアクチュエータを得ることができた。特に、スプライン軸１の軸方向における全長に関しては、リニアモータ３を構成するマグネットロッド３０を一対のエンドキャップ５で両端支持しているので、スプラインナット２のストローク長とスプライン軸１の全長との間には大差がなく、アクチュエータの軸方向の全長を極めて短くすることが可能であった。また、部品点数も少なく、組み立ても極めて容易であり、低コストで生産しうる可能性も見出した。

実際に試作したアクチュエータは、その全長が３５ｍｍ、ブラケット３６を含めたスプラインナット２の最大直径が１２．２ｍｍであり、スプラインナット２のストローク長は１７ｍｍであった。また、スプラインナット２の最大移動速度は７６２（ｍｍ／ｓ）であった。

尚、図１乃至図４に示した例では、スプライン軸１に対して一対のスリット開口１２，１３が形成されていたが、リニアスケール３３の配設位置を検討することで、前記スプライン軸１に形成するスリット開口を一つにすることも可能であり、それによって一層の生産コストの低減化を図ることが可能となる。

図５及び図６は本発明のマイクロアクチュエータの第二の実施形態を示すものであり、前述のようにスプライン軸１に対して一つのスリット開口１４のみを形成した例を示すものである。図５は全体斜視図、図６は視点を図５と反対側においた全体斜視図である。

図５において、スプライン軸１の外周面の一カ所には軸方向に沿ったスリット開口１４が設けられており、スプラインナット２はこのスリット開口１４を通してリニアモータ３を構成するフォーサ３１と結合されている。

また、図６に示すように、前記スプライン軸の外周面には前記スリット開口と１８０°位相をずらした位置に平坦面６０が形成されており、この平坦面６０上にはテープ状のリニアスケール６１が貼り付けられている。このリニアスケール６１は第一の実施形態と同様にマグネットスケールとして構成されている。一方、スプラインナット２にはこのリニアスケール６１と対向する位置に読み取りヘッド（図示せず）が固定されており、スプラインナット２がスプライン軸１に沿って移動すると、この読取ヘッドがリニアスケール６１に沿って移動しながら磁極の変化に対応したパルス信号を出力するように構成されている。

尚、その他の構成は第一の実施形態と同一なので、図５及び図６中に第一の実施形態と同一の符号を付し、その説明は省略する。

そして、このように構成された第二の実施形態に係るマイクロアクチュエータにおいては、スプライン軸１に対して一カ所のスリット開口１４のみが形成されているので、第一の実施形態と比較してスプライン軸１の剛性が向上し、スプラインナット２の移動精度を高めることが可能となる他、スプライン軸１の加工が容易となり、低コストで実施することが可能となる。また、リニアスケール６１をテープ状とし、スプライン軸１に設けた平坦面６０に貼り付けるように構成したので、第一の実施形態に示したワイヤ状のリニアスケール３３と比較して容易に配設することができ、スプライン軸１の移動に対する測定精度を高めることが可能となる。

次に、図７は本発明のマイクロアクチュエータの第三の実施形態を示すものである。

この第三の実施形態のマイクロアクチュエータでは、リニアモータ３の発揮する推力を高めるため、マグネットロッド３０に遊嵌するフォーサ３７に対して三相一組の励磁コイル群を複数組搭載した。このため、フォーサ３７は第二の実施形態のフォーサ３１に比べてマグネットロッド３０の軸方向へ長く形成されている。また、そのように長尺化したフォーサ３７を確実に支えるため、スプライン軸１には一対のスプラインナット２が軸方向に間隔をおいて嵌合しており、各スプラインナット２がフォーサ３７の長手方向の両端に結合されている。すなわち、一対のスプラインナット２はフォーサ３７を介して相互に結合されており、リニアモータ３を駆動すると、これらスプラインナット２の間隔は変動することなく、マグネットロッド３０を保持したスプライン軸１がスプラインナット２に対して移動することになる。

尚、その他の構成は第二の実施形態と同一なので、図７中に第二の実施形態と同一の符号を付し、その説明は省略する。

そして、このように構成された第三の実施形態に係るマイクロアクチュエータによれば、フォーサに搭載するコイル群の組数を任意に選択することにより、スプラインナットに対してスプライン軸をストロークさせる推力を任意に調整することができ、かかるアクチュエータを各種用途に使用することが可能となる。また、必要とする推力及びスプライン軸のストローク長に応じ、スプライン軸及びフォーサの軸方向長さを選択しさえすれば良く、スプラインナットの基本的構造には何ら変更が必要ないので、低コストで各種用途に対応することが可能となる。すなわち、本発明のマイクロアクチュエータは、必要とするストローク長が５０ｃｍであっても、あるいは１ｍであっても、部品点数の減少、組み立ての容易化、生産コストの低減といった効果を発揮するものである。

Claims (6)

1. 中空部を有して筒状に形成されると共に軸方向に沿ってスリット開口が形成されたスプライン軸と、このスプライン軸に嵌合すると共に当該スプライン軸をその軸方向へ案内するスプラインナットと、前記スプライン軸の両端開口に固定される一対のエンドキャップと、これらエンドキャップによって前記スプライン軸の中空部内に両端支持されるマグネットロッドと、前記スプライン軸の中空部内で前記マグネットロッドの周囲に遊嵌して当該マグネットロッドと相まってリニアモータを構成すると共に、前記スリット開口を介して前記スプラインナットと結合されたフォーサと、から構成されることを特徴とするマイクロアクチュエータ。
2. 前記スリット開口にはその長手方向に沿ってリニアスケールが固定される一方、前記スプラインナットには前記スリット開口に差し込まれてリニアスケールを読み取るヘッドが固定されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロアクチュエータ。
3. 前記スリット開口はスプライン軸には中空部を挟んで相対向する位置に一対形成され、一方のスリット開口は前記フォーサとスプラインナットの結合に利用される一方、他方のスリット開口は前記リニアスケールの配設に利用されることを特徴とする請求項２記載のマイクロアクチュエータ。
4. 前記スプライン軸の外周面にはボール転走溝が形成され、前記スプラインナットはこのボール転走溝を転走する多数のボールを介して前記スプライン軸に組み付けられていることを特徴とする請求項１記載のマイクロアクチュエータ。
5. 前記スプライン軸の外周面の一部には軸方向に沿った平坦面を形成し、かかる平坦面にリニアスケールを固定する一方、前記スプラインナットにはこのリニアスケールを読み取るヘッドが固定されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロアクチュエータ。
6. 前記スプライン軸には軸方向に間隔をおいて一対のスプラインナットが嵌合し、これらスプラインナットは前記フォーサの長手方向の両端に結合されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロアクチュエータ。

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