JP5218493B2 - アクチュエータ - Google Patents
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Description
本発明は、出力軸が回転と直動の２つの動作を行うアクチュエータに関する。
従来、回転動作と直動動作を実現するために、本出願人らは、回転モータとリニアモータの電機子巻線を同心円状に重ね合わせると共に、可動子の一端の直動回転スケールと固定子の一端の直動回転検出器を対向配置する構成にして、可動子の出力軸に直接トルクと推力を発生させるアクチュエータを提案している（例えば、特許文献１を参照）。
本出願人は、さらに研究開発を進める中で、市場のニーズに適応したアクチュエータの高精度化や高出力化に取り組むことが必要であると判断した。
したがって、本発明は高精度化や高出力化されたアクチュエータを提供することを目的とする。
したがって、本発明は高精度化や高出力化されたアクチュエータを提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
本発明は、アクチュエータに係り、回転可能に設けられた第１可動子とこの第１可動子の外周に磁気ギャップを介して同心状に配置された第１固定子とを有した回転駆動部と、軸方向に沿って直動可能に設けられた第２可動子とこの第２可動子の外周に磁気ギャップを介して同心状に配置された第２固定子とを有した直動駆動部と、を含み、前記回転駆動部および前記直動駆動部を並列に配置し、前記第１可動子を直動可能に支持するとともに、前記第１可動子の回転を許容しつつアームを介して当該第１可動子を前記第２可動子へ連結し、前記第２可動子の直動に応じて前記第１可動子を直動させることにより前記第１可動子を直動回転させることを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記回転駆動部と前記直動駆動部を同一のケースに格納したことを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記回転駆動部と前記直動駆動部は、各々の駆動部の固定子と同心円状となるように各々の駆動部の可動子を構成する出力軸の両端に直動方向または回転方向を支持する支持機構が設けられており、さらに前記各々の駆動部の出力軸の回転方向の角度を検出する第１の検出器と、前記出力軸の直動方向の変位を検出する第２の検出器とを含む検出器部が設けられたことを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記回転駆動部の支持機構は、フレームに出力軸を回転自在に支持する第１の軸受が取り付けられると共に、前記第１の軸受の内周面にカラーを介して前記出力軸を直動自在に支持する第２の軸受を備えており、直動方向の変位を検出する前記第２の検出器は前記回転駆動部の反負荷側に設けられると共に被検出体と検出器から構成されており、前記被検出体は、前記回転駆動部の出力軸の反負荷側を回転自在に径方向に軸支持する第３の軸受の外輪に取り付けられた中空円筒部材に備えられており、前記中空円筒部材は前記直動駆動部の出力軸とアームにより接続してあることを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記回転駆動部の支持機構は、フレームに出力軸を回転自在に支持する第１の軸受が取り付けられると共に、前記第１の軸受の内周面にカラーを介して前記出力軸を直動自在に支持する第２の軸受を備えており、前記検出器部は前記回転駆動部の負荷側と反負荷側の支持機構の間に設けられると共に被検出体と検出器から構成されており、前記回転駆動部の出力軸の端部に、回転自在に径方向に軸支持する第３の軸受を設けると共に、前記第３の軸受の外輪に取り付けられたアームを前記直動駆動部の出力軸と接続することにより、直動・回転を行うようにしたことを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記回転駆動部および前記直動駆動部は、界磁とする永久磁石もしくは鉄心歯を備えた界磁と、前記界磁と磁気的空隙を介して対向配置されると共に移動磁界を発生する電機子を備えたことを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記回転駆動部のモータ部における界磁部は、前記出力軸を直動自在に支持する前記第２の軸受に備えられたカラーに取り付けられたことを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記第１の検出器の被検出体と前記回転駆動部におけるモータ部の界磁部の両方が、前記出力軸を直動自在に支持する前記第２の軸受に備えられたカラーに取り付けられたことを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、回転方向の角度を検出する前記第１の検出器は、被検出体と検出器から構成され、前記被検出体は、前記出力軸を直動自在に支持する前記第２の軸受に備えられたカラーに取り付けられたことを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記検出器部は、前記第１の検出器と前記第２の検出器の機能を一体化したものであることを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記出力軸を非磁性材にて構成することを特徴としている。
本発明は、アクチュエータに係り、回転可能に設けられた第１可動子とこの第１可動子の外周に磁気ギャップを介して同心状に配置された第１固定子とを有した回転駆動部と、軸方向に沿って直動可能に設けられた第２可動子とこの第２可動子の外周に磁気ギャップを介して同心状に配置された第２固定子とを有した直動駆動部と、を含み、前記回転駆動部および前記直動駆動部を並列に配置し、前記第１可動子を直動可能に支持するとともに、前記第１可動子の回転を許容しつつアームを介して当該第１可動子を前記第２可動子へ連結し、前記第２可動子の直動に応じて前記第１可動子を直動させることにより前記第１可動子を直動回転させることを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記回転駆動部と前記直動駆動部を同一のケースに格納したことを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記回転駆動部と前記直動駆動部は、各々の駆動部の固定子と同心円状となるように各々の駆動部の可動子を構成する出力軸の両端に直動方向または回転方向を支持する支持機構が設けられており、さらに前記各々の駆動部の出力軸の回転方向の角度を検出する第１の検出器と、前記出力軸の直動方向の変位を検出する第２の検出器とを含む検出器部が設けられたことを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記回転駆動部の支持機構は、フレームに出力軸を回転自在に支持する第１の軸受が取り付けられると共に、前記第１の軸受の内周面にカラーを介して前記出力軸を直動自在に支持する第２の軸受を備えており、直動方向の変位を検出する前記第２の検出器は前記回転駆動部の反負荷側に設けられると共に被検出体と検出器から構成されており、前記被検出体は、前記回転駆動部の出力軸の反負荷側を回転自在に径方向に軸支持する第３の軸受の外輪に取り付けられた中空円筒部材に備えられており、前記中空円筒部材は前記直動駆動部の出力軸とアームにより接続してあることを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記回転駆動部の支持機構は、フレームに出力軸を回転自在に支持する第１の軸受が取り付けられると共に、前記第１の軸受の内周面にカラーを介して前記出力軸を直動自在に支持する第２の軸受を備えており、前記検出器部は前記回転駆動部の負荷側と反負荷側の支持機構の間に設けられると共に被検出体と検出器から構成されており、前記回転駆動部の出力軸の端部に、回転自在に径方向に軸支持する第３の軸受を設けると共に、前記第３の軸受の外輪に取り付けられたアームを前記直動駆動部の出力軸と接続することにより、直動・回転を行うようにしたことを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記回転駆動部および前記直動駆動部は、界磁とする永久磁石もしくは鉄心歯を備えた界磁と、前記界磁と磁気的空隙を介して対向配置されると共に移動磁界を発生する電機子を備えたことを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記回転駆動部のモータ部における界磁部は、前記出力軸を直動自在に支持する前記第２の軸受に備えられたカラーに取り付けられたことを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記第１の検出器の被検出体と前記回転駆動部におけるモータ部の界磁部の両方が、前記出力軸を直動自在に支持する前記第２の軸受に備えられたカラーに取り付けられたことを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、回転方向の角度を検出する前記第１の検出器は、被検出体と検出器から構成され、前記被検出体は、前記出力軸を直動自在に支持する前記第２の軸受に備えられたカラーに取り付けられたことを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記検出器部は、前記第１の検出器と前記第２の検出器の機能を一体化したものであることを特徴としている。
本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記出力軸を非磁性材にて構成することを特徴としている。
本発明によると、単位体積あたりの出力が高く、精密な回転動作と直動動作実現することができるものである。
以下、本実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、第１実施形態を示すアクチュエータの側断面図である。アクチュエータについて、図１を用いて説明する。
図１において、第１実施形態を示す直動回転を行うアクチュエータは回転駆動部２００と直動駆動部３００から構成されており、各々の駆動部はモータフレーム１０１の内部に中央に中間フレーム１０２を介して図中の左右方向に並列に配置されている。ここで、回転駆動部と直動駆動部は図示しない同一のケースに格納される構成になっている。。
なお、アクチュエータは図示のＸ方向が鉛直方向の下向きとなるように、θ方向が回転方向となるように設置されている。
図１において、第１実施形態を示す直動回転を行うアクチュエータは回転駆動部２００と直動駆動部３００から構成されており、各々の駆動部はモータフレーム１０１の内部に中央に中間フレーム１０２を介して図中の左右方向に並列に配置されている。ここで、回転駆動部と直動駆動部は図示しない同一のケースに格納される構成になっている。。
なお、アクチュエータは図示のＸ方向が鉛直方向の下向きとなるように、θ方向が回転方向となるように設置されている。
まず、回転駆動部２００は負荷側にθ軸モータ部２０２が配置され、反負荷側に出力軸２０１の回転方向の変位を検出する回転検出器部２０８と、出力軸２０１の直動方向の変位を検出する直動検出器部２０９が配置されている。
θ軸モータ部２０２は回転方向に回転磁界を発生すると共に固定子２００ｂを構成するθ電機子巻線２０６と、θ電機子巻線２０６と磁気的空隙を介して同心円状に対向配置されると共に可動子２００ａを構成する永久磁石２０５よりなる界磁部２０３とが設けられている。
θ軸モータ部２０２の負荷側と反負荷側には、１個のボールスプライン２０７ａと各２個のベアリング２０７ｂにて構成されたθＸ軸受部２０７がそれぞれ配置されている。この負荷側と反負荷側のボールスプライン２０７ａ間にカラー２０４を取り付けて、カラー２０４の外周にθ軸モータ部２０２を固定しており、この状態の下で、出力軸２０１をθＸ軸受部２０７により長手方向に向かって直動するように支持すると共に、θ軸モータ部２０２を構成する界磁部２０３は、カラー２０４を介してボールスプライン２０７ａの外周に固定したベアリング２０７ｂにより径方向に回転するように支持する構成となっている。
θ軸モータ部２０２は回転方向に回転磁界を発生すると共に固定子２００ｂを構成するθ電機子巻線２０６と、θ電機子巻線２０６と磁気的空隙を介して同心円状に対向配置されると共に可動子２００ａを構成する永久磁石２０５よりなる界磁部２０３とが設けられている。
θ軸モータ部２０２の負荷側と反負荷側には、１個のボールスプライン２０７ａと各２個のベアリング２０７ｂにて構成されたθＸ軸受部２０７がそれぞれ配置されている。この負荷側と反負荷側のボールスプライン２０７ａ間にカラー２０４を取り付けて、カラー２０４の外周にθ軸モータ部２０２を固定しており、この状態の下で、出力軸２０１をθＸ軸受部２０７により長手方向に向かって直動するように支持すると共に、θ軸モータ部２０２を構成する界磁部２０３は、カラー２０４を介してボールスプライン２０７ａの外周に固定したベアリング２０７ｂにより径方向に回転するように支持する構成となっている。
また、回転検出器部２０８は、θ軸モータ部２０２の反負荷側に位置するθＸ軸受部２０７の近傍（図中、回転駆動部の反負荷側）に設けられ、カラー２０４の外周に固定されたθエンコーダ２０８ａと、モータフレーム１０１に固定された回転センサヘッド２０８ｂとより構成されている。
さらに、直動検出器部２０９は出力軸２０１にベアリング２０７ｃを介して回転自在に軸支持された中空円筒部材２１１に取り付けられたリニアスケール２０９ａと、モータフレーム１０１の内側に固定されたリニアセンサヘッド２０９ｂから構成されている。
なお、モータフレーム１０１にはθ電機子巻線２０６とＸ電機子巻線３０６に外部電力を供給するための不図示のモータ端子が設けられると共に、同じくモータフレーム１０１に直動検出器部２０９と回転検出器部２０８に外部電力を供給し、かつ、位置Ｘと角度θの検出信号を出力する図示しない検出器端子が設けられている。
また、出力軸２０１は非磁性体であるステンレス鋼製となっている。
さらに、直動検出器部２０９は出力軸２０１にベアリング２０７ｃを介して回転自在に軸支持された中空円筒部材２１１に取り付けられたリニアスケール２０９ａと、モータフレーム１０１の内側に固定されたリニアセンサヘッド２０９ｂから構成されている。
なお、モータフレーム１０１にはθ電機子巻線２０６とＸ電機子巻線３０６に外部電力を供給するための不図示のモータ端子が設けられると共に、同じくモータフレーム１０１に直動検出器部２０９と回転検出器部２０８に外部電力を供給し、かつ、位置Ｘと角度θの検出信号を出力する図示しない検出器端子が設けられている。
また、出力軸２０１は非磁性体であるステンレス鋼製となっている。
次に、直動駆動部３００は基本的にＸ軸モータ部３０２と、当該Ｘ軸モータ部３０２の両端に設けられ出力軸３０１を軸支持するボールスプライン３０７が配置されている。
Ｘ軸モータ部３０２は直動方向に進行磁界を発生すると共に固定子３００ｂを構成するＸ電機子巻線３０６と、Ｘ電機子巻線３０６と磁気的空隙を介して同心円状に対向配置されると共に可動子３００ａを構成する出力軸３０１に取り付けられた永久磁石よりなる界磁部３０３とが設けられている。
このようにＸ軸モータ部３０２の負荷側と反負荷側には、ボールスプライン３０７ａがそれぞれ配置されており、Ｘ軸モータ部３０２が配置された出力軸３０１をボールスプライン３０７ａにて両持ちで支持しながら直動方向に自在に移動できる構成となっている。
Ｘ軸モータ部３０２は直動方向に進行磁界を発生すると共に固定子３００ｂを構成するＸ電機子巻線３０６と、Ｘ電機子巻線３０６と磁気的空隙を介して同心円状に対向配置されると共に可動子３００ａを構成する出力軸３０１に取り付けられた永久磁石よりなる界磁部３０３とが設けられている。
このようにＸ軸モータ部３０２の負荷側と反負荷側には、ボールスプライン３０７ａがそれぞれ配置されており、Ｘ軸モータ部３０２が配置された出力軸３０１をボールスプライン３０７ａにて両持ちで支持しながら直動方向に自在に移動できる構成となっている。
さらにまた、回転駆動部２００に設けられた出力軸２０１の負荷側および反負荷側は、それぞれ出力軸２０１の外側のボールスプライン２０７ａに取り付けたベアリング２０７ｂの内輪により軸支持されている。出力軸２０１の負荷側に軸支持されたベアリング２０７ｃの外輪は直動駆動部３００の出力軸２０１の負荷側に設けたアーム３０９の一端と接続されている。出力軸２０１の反負荷側に軸支持されたベアリング２０７ｃの外輪は中空円筒部材２１１（スケールホルダに相当）に保持され、中空円筒部材２１１の端部は直動駆動部３００の出力軸２０１の反負荷側に設けたアーム３０８の一端と接続されている。
次に動作について説明する。
このような構成において、回転駆動部２００のθ電機子巻線２０６に電流を供給することにより界磁部２０３の永久磁石２０５の作る磁界との作用で出力軸２０１にトルクを発生し、直動駆動部３００のＸ電機子巻線３０６に電流を供給することにより界磁部３０３の永久磁石の作る磁界との作用で出力軸３０１に推力を発生する。
一方の回転駆動部２００のみに電流を供給した際、出力軸２０１が負荷側と反負荷側に設けたθＸ軸受のボールスプライン２０７ａの外周にベアリング２０７ｂの内輪が固定してあるため、界磁部２０３を備えた出力軸２０１がθ電機子巻線２０６に対して回転し、ボールスプライン２０７ａの外側に固定されたθエンコーダ２０８ａが同時に回転する。この時、出力軸２０１の反負荷側におけるベアリング２０７ｃの外輪に中空円筒部材２１１を介して取り付けたリニアスケール２０９ａは停止した状態となっているが、一方のθエンコーダ２０８ａに対向して配置された回転センサヘッド２０８ｂが出力軸２０１のθ方向の回転動作を検出している。
他方の直動駆動部３００のみに電流を供給した際、出力軸３０１がボールスプライン３０７の内部を軸方向に向かって直動し、出力軸３０１の負荷側、反負荷側にアーム３０８,３０９を介して接続された回転駆動部２００の出力軸２０１が回転駆動部２００のθＸ軸受のボールスプライン２０７ａの内部を直動する。この時、直動検出器部２０９はリニアスケール２０９ａに対向して配置されたリニアセンサヘッド２０９ｂが出力軸２０１のＸ方向の直動動作を検出している。
なお、回転駆動部２００および直動駆動部３００の両方に電流を供給すると、出力軸２０１が回転すると同時に、出力軸３０１が直動し、回転検出および直動検出を精度よく行うことができる。
このような構成において、回転駆動部２００のθ電機子巻線２０６に電流を供給することにより界磁部２０３の永久磁石２０５の作る磁界との作用で出力軸２０１にトルクを発生し、直動駆動部３００のＸ電機子巻線３０６に電流を供給することにより界磁部３０３の永久磁石の作る磁界との作用で出力軸３０１に推力を発生する。
一方の回転駆動部２００のみに電流を供給した際、出力軸２０１が負荷側と反負荷側に設けたθＸ軸受のボールスプライン２０７ａの外周にベアリング２０７ｂの内輪が固定してあるため、界磁部２０３を備えた出力軸２０１がθ電機子巻線２０６に対して回転し、ボールスプライン２０７ａの外側に固定されたθエンコーダ２０８ａが同時に回転する。この時、出力軸２０１の反負荷側におけるベアリング２０７ｃの外輪に中空円筒部材２１１を介して取り付けたリニアスケール２０９ａは停止した状態となっているが、一方のθエンコーダ２０８ａに対向して配置された回転センサヘッド２０８ｂが出力軸２０１のθ方向の回転動作を検出している。
他方の直動駆動部３００のみに電流を供給した際、出力軸３０１がボールスプライン３０７の内部を軸方向に向かって直動し、出力軸３０１の負荷側、反負荷側にアーム３０８,３０９を介して接続された回転駆動部２００の出力軸２０１が回転駆動部２００のθＸ軸受のボールスプライン２０７ａの内部を直動する。この時、直動検出器部２０９はリニアスケール２０９ａに対向して配置されたリニアセンサヘッド２０９ｂが出力軸２０１のＸ方向の直動動作を検出している。
なお、回転駆動部２００および直動駆動部３００の両方に電流を供給すると、出力軸２０１が回転すると同時に、出力軸３０１が直動し、回転検出および直動検出を精度よく行うことができる。
したがって、第１実施形態に係る直動回転を行うアクチュエータは、回転駆動部と直動駆動部を並列に配置した点、また、直動駆動部の出力軸の負荷側と反負荷側をボールスプラインで支持し、θ軸モータ部の負荷側と反負荷側の出力軸を１個のボールスプラインと各２個のベアリングにて構成されたθＸ軸受部により支持すると共に、直動駆動部の出力軸の負荷側と反負荷側の端部に設けたアームを回転駆動部の出力軸の負荷側と反負荷側の端部とそれぞれ接続する構成にした点から、アクチュエータの軸方向長さを全体的に短くすることができ、単位体積あたりの出力を大きくすることができると考えられ、小型化を図ることができる。
θ電機子巻線やＸ電機子巻線にそれぞれ電流を通電すると、回転駆動部と直動駆動部にそれぞれ熱が発生する。回転駆動部と直動駆動部毎に設けた出力軸は、個別に短軸化されていることから、それぞれの電機子巻線から発生した熱により熱膨張したとしてもその熱変形を最小限に抑えることができ、出力軸の直動方向の位置誤差及び回転方向の角度誤差を低減できる。
また、θＸ軸受部を各１個のボールスプラインと各２個のベアリングにて構成すると共に、θＸ軸受部を出力軸の負荷側に配置されたθモータ部と回転検出器部の両側に配置したことで、回転検出器部での出力軸のがたや偏心をなくすことができ、出力軸の真直度と回転振れの精度を向上できる。出力軸の真直度と回転振れの精度を向上できるので、出力軸に配置された直動検出器のリニアスケールの真直度と回転検出器のθエンコーダの回転振れの精度を向上でき、直動方向の位置と回転方向の角度を精度良く検出することができる。
また、特に出力軸の負荷側のボールスプラインにはカラーが取り付けられ、カラーの円筒面に永久磁石が取り付けられ、永久磁石に空隙を介して対向するように円周に均等配置された４個のＭＲ素子やホール素子等の磁気検出素子が配置され、いわゆる磁気式エンコーダが構成されている。このように、永久磁石は、出力軸の負荷側および反負荷側のベアリングで回転自在に支持されており、ベアリングのラジアル隙間の平均化した隙間変動となり、数μｍの磁気的ギャップの変動であると考えられることから、磁気式エンコーダの検出誤差が軽減できると考えられる。
また、出力軸は非磁性体であるステンレス鋼製にて構成されたことで、出力軸は磁束を通さない。従来は、界磁部の漏れ磁束による磁力線は、出力軸を通り検出器部へと続く磁力線があった。出力軸は磁束を通さないので、検出器部への界磁部の漏れ磁束を低減することができ、界磁部の漏れ磁束により発生していた検出器部の検出誤差を低減できる。
θ電機子巻線やＸ電機子巻線にそれぞれ電流を通電すると、回転駆動部と直動駆動部にそれぞれ熱が発生する。回転駆動部と直動駆動部毎に設けた出力軸は、個別に短軸化されていることから、それぞれの電機子巻線から発生した熱により熱膨張したとしてもその熱変形を最小限に抑えることができ、出力軸の直動方向の位置誤差及び回転方向の角度誤差を低減できる。
また、θＸ軸受部を各１個のボールスプラインと各２個のベアリングにて構成すると共に、θＸ軸受部を出力軸の負荷側に配置されたθモータ部と回転検出器部の両側に配置したことで、回転検出器部での出力軸のがたや偏心をなくすことができ、出力軸の真直度と回転振れの精度を向上できる。出力軸の真直度と回転振れの精度を向上できるので、出力軸に配置された直動検出器のリニアスケールの真直度と回転検出器のθエンコーダの回転振れの精度を向上でき、直動方向の位置と回転方向の角度を精度良く検出することができる。
また、特に出力軸の負荷側のボールスプラインにはカラーが取り付けられ、カラーの円筒面に永久磁石が取り付けられ、永久磁石に空隙を介して対向するように円周に均等配置された４個のＭＲ素子やホール素子等の磁気検出素子が配置され、いわゆる磁気式エンコーダが構成されている。このように、永久磁石は、出力軸の負荷側および反負荷側のベアリングで回転自在に支持されており、ベアリングのラジアル隙間の平均化した隙間変動となり、数μｍの磁気的ギャップの変動であると考えられることから、磁気式エンコーダの検出誤差が軽減できると考えられる。
また、出力軸は非磁性体であるステンレス鋼製にて構成されたことで、出力軸は磁束を通さない。従来は、界磁部の漏れ磁束による磁力線は、出力軸を通り検出器部へと続く磁力線があった。出力軸は磁束を通さないので、検出器部への界磁部の漏れ磁束を低減することができ、界磁部の漏れ磁束により発生していた検出器部の検出誤差を低減できる。
図２は第２実施形態を示すアクチュエータの側断面図である。なお、第２実施形態の構成要素が第１実施形態と同じものについては説明を省略する。
第２実施形態の直動回転を行うアクチュエータが、第１実施形態と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、第２実施形態に示すアクチュエータの検出器部は、基本的に第１実施形態の直動検出器部と回転検出器部の機能を一体化した直動回転検出器部２１０を構成している点である。いわゆる直動回転検出器部２１０は、回転駆動部の負荷側と反負荷側の支持機構（ボールスプライン２０７ａおよびベアリング２０７ｂ）の間に設けられると共に、出力軸２０１の外周に固定された円筒状の直動回転スケール２１０ａと、モータフレーム１０１の内周に固定された直動回転センサヘッド２１０ｂとから構成され、直動方向および回転方向の変位を検出するようになっている。
また、回転駆動部２００において、θ軸モータ部２０２の界磁部２０３は、出力軸２０１の反負荷側のボールスプライン２０７ａに設けたカラー２０４の外側に取り付けられており、他方のθ電機子巻線２０６は界磁部２０３と同心円状になるようにモータフレーム１０１に取り付けられている。
なお、第２実施形態の直動駆動部３００の構成については基本的に第１実施形態と同様なので、説明を省略する。
第２実施形態の直動回転を行うアクチュエータが、第１実施形態と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、第２実施形態に示すアクチュエータの検出器部は、基本的に第１実施形態の直動検出器部と回転検出器部の機能を一体化した直動回転検出器部２１０を構成している点である。いわゆる直動回転検出器部２１０は、回転駆動部の負荷側と反負荷側の支持機構（ボールスプライン２０７ａおよびベアリング２０７ｂ）の間に設けられると共に、出力軸２０１の外周に固定された円筒状の直動回転スケール２１０ａと、モータフレーム１０１の内周に固定された直動回転センサヘッド２１０ｂとから構成され、直動方向および回転方向の変位を検出するようになっている。
また、回転駆動部２００において、θ軸モータ部２０２の界磁部２０３は、出力軸２０１の反負荷側のボールスプライン２０７ａに設けたカラー２０４の外側に取り付けられており、他方のθ電機子巻線２０６は界磁部２０３と同心円状になるようにモータフレーム１０１に取り付けられている。
なお、第２実施形態の直動駆動部３００の構成については基本的に第１実施形態と同様なので、説明を省略する。
次に動作について説明する。
このような構成において、回転駆動部２００のθ電機子巻線２０６に電流を供給することにより界磁部２０３の永久磁石２０５の作る磁界との作用で出力軸２０１にトルクを発生し、直動駆動部３００のＸ電機子巻線３０６に電流を供給することにより界磁部３０３の永久磁石の作る磁界との作用で出力軸３０１に推力を発生する。
一方の回転駆動部２００のみに電流を供給した際、出力軸２０１が負荷側と反負荷側におけるθＸ軸受のボールスプライン２０７ａに設けたベアリング２０７ｂにより径方向に支持してあるため、界磁部２０３を備えた出力軸２０１がθ電機子巻線２０６に対して回転する。このとき、出力軸２０１に固定された直動回転検出器部２１０の直動回転スケール２１０ａが同時に回転し、直動回転スケール２１０ａに対向して配置された直動回転センサヘッド２１０ｂが出力軸２０１のθ方向の回転動作を検出する。
また、他方の直動駆動部３００のみに電流を供給した際、出力軸３０１がボールスプライン３０７の内部を軸方向に向かって直動し、出力軸３０１の負荷側、反負荷側にアーム３０８,３０９を介して接続された回転駆動部２００の出力軸２０１が回転駆動部２００のθＸ軸受のボールスプライン２０７ａの内部を直動する。この時、直動検出器部２０９はリニアスケール２０９ａに対向して配置されたリニアセンサヘッド２０９ｂが出力軸２０１のＸ方向の直動動作を検出している。
なお、回転駆動部２００および直動駆動部３００の両方に電流を供給すると、出力軸２０１が回転すると同時に、出力軸３０１が直動し、回転検出および直動検出を精度よく行うことができる。
このような構成において、回転駆動部２００のθ電機子巻線２０６に電流を供給することにより界磁部２０３の永久磁石２０５の作る磁界との作用で出力軸２０１にトルクを発生し、直動駆動部３００のＸ電機子巻線３０６に電流を供給することにより界磁部３０３の永久磁石の作る磁界との作用で出力軸３０１に推力を発生する。
一方の回転駆動部２００のみに電流を供給した際、出力軸２０１が負荷側と反負荷側におけるθＸ軸受のボールスプライン２０７ａに設けたベアリング２０７ｂにより径方向に支持してあるため、界磁部２０３を備えた出力軸２０１がθ電機子巻線２０６に対して回転する。このとき、出力軸２０１に固定された直動回転検出器部２１０の直動回転スケール２１０ａが同時に回転し、直動回転スケール２１０ａに対向して配置された直動回転センサヘッド２１０ｂが出力軸２０１のθ方向の回転動作を検出する。
また、他方の直動駆動部３００のみに電流を供給した際、出力軸３０１がボールスプライン３０７の内部を軸方向に向かって直動し、出力軸３０１の負荷側、反負荷側にアーム３０８,３０９を介して接続された回転駆動部２００の出力軸２０１が回転駆動部２００のθＸ軸受のボールスプライン２０７ａの内部を直動する。この時、直動検出器部２０９はリニアスケール２０９ａに対向して配置されたリニアセンサヘッド２０９ｂが出力軸２０１のＸ方向の直動動作を検出している。
なお、回転駆動部２００および直動駆動部３００の両方に電流を供給すると、出力軸２０１が回転すると同時に、出力軸３０１が直動し、回転検出および直動検出を精度よく行うことができる。
したがって、第２の実施形態は、出力軸の負荷側と反負荷側の間において出力軸の外周に固定された円筒状の直動回転スケールと、第１フレームの内周に固定された直動回転センサヘッドとからなる直動回転検出器部を設け、直動検出器部と回転検出器部の機能を一体化することにより第1の実施形態に比べてさらに部品点数を減らし、小型化を図ることができると共に、さらなる小型化により検出器部での出力軸のがたや偏心をなくすことができる。その結果、出力軸の真直度と回転振れの精度を向上できることから、簡単な構成で出力軸の直動方向および回転方向の変位を容易に精度よく検出することができる。
また、θ軸モータの界磁部が出力軸の反負荷側のボールスプラインに設けたカラーの外側に取り付けた構成にしてあるので、θ電機子巻線とθ界磁部の空隙が近接することで磁気的ギャップ長が短くなることから出力を大きくすることができる。θ軸モータの長手方向の長さは短くなり、小型化を図ることができる。
また、θ軸モータの界磁部が出力軸の反負荷側のボールスプラインに設けたカラーの外側に取り付けた構成にしてあるので、θ電機子巻線とθ界磁部の空隙が近接することで磁気的ギャップ長が短くなることから出力を大きくすることができる。θ軸モータの長手方向の長さは短くなり、小型化を図ることができる。
図３は第３実施形態を示すアクチュエータの側断面図である。なお、第３実施形態の構成要素が第１実施形態と同じものについては説明を省略する。
第３実施形態の直動回転を行うアクチュエータが、第２実施形態と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、第３実施形態に示すアクチュエータの検出器部は、基本的に回転検出器部２０８と直動検出器部２０９とを個別に構成している。このうち、回転検出器部２０８を構成するθエンコーダ２０８ａは、出力軸２０１の負荷側のボールスプライン２０７ａに設けたカラー２１２の外側に取り付けられており、他方の回転センサヘッド２０８ｂがモータフレーム１０１に取り付けられて回転方向の変位を検出するようになっている。また、直動検出器部２０９を構成する円筒状のリニアスケール２０９ａは出力軸２０１の負荷側と反負荷側の間に固定されており、他方のリニアセンサヘッド２０９ｂがモータフレーム１０１に取り付けられている。
また、回転駆動部２００において、θ軸モータ部２０２の界磁部２０３は、出力軸２０１の反負荷側のボールスプライン２０７ａに設けたカラー２０４の外側に取り付けられており、他方のθ電機子巻線２０６は界磁部２０３と同心円状になるようにモータフレーム１０１に取り付けられている。
なお、第３実施形態の直動駆動部３００の構成については基本的に第２実施形態と同様なので、説明を省略する。
また、第３の実施形態の動作については基本的に第２実施形態と同様なので、説明を省略する。
第３実施形態の直動回転を行うアクチュエータが、第２実施形態と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、第３実施形態に示すアクチュエータの検出器部は、基本的に回転検出器部２０８と直動検出器部２０９とを個別に構成している。このうち、回転検出器部２０８を構成するθエンコーダ２０８ａは、出力軸２０１の負荷側のボールスプライン２０７ａに設けたカラー２１２の外側に取り付けられており、他方の回転センサヘッド２０８ｂがモータフレーム１０１に取り付けられて回転方向の変位を検出するようになっている。また、直動検出器部２０９を構成する円筒状のリニアスケール２０９ａは出力軸２０１の負荷側と反負荷側の間に固定されており、他方のリニアセンサヘッド２０９ｂがモータフレーム１０１に取り付けられている。
また、回転駆動部２００において、θ軸モータ部２０２の界磁部２０３は、出力軸２０１の反負荷側のボールスプライン２０７ａに設けたカラー２０４の外側に取り付けられており、他方のθ電機子巻線２０６は界磁部２０３と同心円状になるようにモータフレーム１０１に取り付けられている。
なお、第３実施形態の直動駆動部３００の構成については基本的に第２実施形態と同様なので、説明を省略する。
また、第３の実施形態の動作については基本的に第２実施形態と同様なので、説明を省略する。
したがって、第３の実施形態は、回転検出器部を構成するθエンコーダを出力軸の負荷側のボールスプラインに設けたカラーに取り付け、回転センサヘッドをモータフレームに取り付けた構成、また、直動検出器部を構成するリニアスケールを出力軸の負荷側と反負荷側の間に固定し、リニアセンサヘッドをモータフレームに取り付けた構成にしたので、検出器部での出力軸のがたや偏心をなくすことができる。その結果、出力軸の真直度と回転振れの精度を向上できることから、簡単な構成で出力軸の直動方向および回転方向の変位を容易に精度よく検出することができる。
また、θ軸モータの界磁部が出力軸の反負荷側のボールスプラインに設けたカラーの外側に取り付け、θ電機子巻線をθ界磁部と同心円状になるようにモータフレームに取り付けた構成にしてあるので、θ電機子巻線とθ界磁部の空隙が近接することで磁気的ギャップ長が短くなることから出力を大きくすることができる。θ軸モータの長手方向の長さは短くなり、小型化を図ることができる。
また、θ軸モータの界磁部が出力軸の反負荷側のボールスプラインに設けたカラーの外側に取り付け、θ電機子巻線をθ界磁部と同心円状になるようにモータフレームに取り付けた構成にしてあるので、θ電機子巻線とθ界磁部の空隙が近接することで磁気的ギャップ長が短くなることから出力を大きくすることができる。θ軸モータの長手方向の長さは短くなり、小型化を図ることができる。
なお、本実施形態において、Ｘ方向の直動の変位の検出に光学式のリニアセンサを用いたが、実施の形態を説明する一例に過ぎず、例えば、磁気的変化を検出するセンサ等を用いても良い。また、θ方向の回転の角度の検出に磁気式のセンサを用いたが、実施の形態を説明する一例に過ぎず、例えば、光の反射（または透過）を検出するセンサ等を用いても良いことは当然である。
また、円滑な支持機構としてボールスプラインやボールベアリングを用いて説明したが、これを一体にしたロータリボールスプラインでも良い。また、必要とされる支持部の精度に応じて変えることは可能であり、すべり軸受や流体軸受等も用いても良い。
また、円滑な支持機構としてボールスプラインやボールベアリングを用いて説明したが、これを一体にしたロータリボールスプラインでも良い。また、必要とされる支持部の精度に応じて変えることは可能であり、すべり軸受や流体軸受等も用いても良い。
本発明は、１つのアクチュエータで、回転と直動の２つの動作を精密に行う直動回転アクチュエータを提供することができる。よって、直動と回転の２自由度動作が要求されるチップマウンタ装置のマウンタヘッドや各種検査装置の検査ヘッドなどの用途に適用することができる。
１００ 固定子
１０１ モータフレーム
１０２ 中間フレーム
１０３ エンドブラケット
２００ 回転駆動部
２００ａ 可動子
２００ｂ 固定子
２０１ 出力軸
２０２ θ軸モータ部
２０３ 界磁部
２０４ カラー
２０５ 永久磁石
２０６ θ電機子巻線
２０７ θＸ軸受部
２０７ａ ボールスプライン
２０７ｂ ベアリング
２０７ｃ ベアリング
２０８ 回転検出器部
２０８ａ θエンコーダ
２０８ｂ 回転センサヘッド
２０９ 直動検出器部
２０９ａ リニアスケール
２０９ｂ リニアセンサヘッド
２１０ 直動回転検出器部
２１０ａ 直動回転スケール
２１０ｂ 直動回転センサヘッド
２１１、２１２ 中空円筒部材
３００ 直動駆動部
３００ａ 可動子
３００ｂ 固定子
３０１ 出力軸
３０２ Ｘ軸モータ部
３０３ 界磁部
３０６ θ電機子巻線
３０７ ボールスプライン
３０８ アーム
３０９ アーム
１０１ モータフレーム
１０２ 中間フレーム
１０３ エンドブラケット
２００ 回転駆動部
２００ａ 可動子
２００ｂ 固定子
２０１ 出力軸
２０２ θ軸モータ部
２０３ 界磁部
２０４ カラー
２０５ 永久磁石
２０６ θ電機子巻線
２０７ θＸ軸受部
２０７ａ ボールスプライン
２０７ｂ ベアリング
２０７ｃ ベアリング
２０８ 回転検出器部
２０８ａ θエンコーダ
２０８ｂ 回転センサヘッド
２０９ 直動検出器部
２０９ａ リニアスケール
２０９ｂ リニアセンサヘッド
２１０ 直動回転検出器部
２１０ａ 直動回転スケール
２１０ｂ 直動回転センサヘッド
２１１、２１２ 中空円筒部材
３００ 直動駆動部
３００ａ 可動子
３００ｂ 固定子
３０１ 出力軸
３０２ Ｘ軸モータ部
３０３ 界磁部
３０６ θ電機子巻線
３０７ ボールスプライン
３０８ アーム
３０９ アーム
Claims (11)
- 回転可能に設けられた第１可動子とこの第１可動子の外周に磁気ギャップを介して同心状に配置された第１固定子とを有した回転駆動部と、
軸方向に沿って直動可能に設けられた第２可動子とこの第２可動子の外周に磁気ギャップを介して同心状に配置された第２固定子とを有した直動駆動部と、
を含み、前記回転駆動部および前記直動駆動部を並列に配置し、前記第１可動子を直動可能に支持するとともに、前記第１可動子の回転を許容しつつアームを介して当該第１可動子を前記第２可動子へ連結し、前記第２可動子の直動に応じて前記第１可動子を直動させることにより前記第１可動子を直動回転させることを特徴とするアクチュエータ。 - 前記回転駆動部と前記直動駆動部を同一のケースに格納したことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
- 前記回転駆動部と前記直動駆動部は、各々の駆動部の固定子と同心円状となるように各々の駆動部の可動子を構成する出力軸の両端に直動方向または回転方向を支持する支持機構が設けられており、
さらに前記各々の駆動部の出力軸の回転方向の角度を検出する第１の検出器と、前記出力軸の直動方向の変位を検出する第２の検出器とを含む検出器部が設けられたことを特徴とする請求項１または２記載のアクチュエータ。 - 前記回転駆動部の支持機構は、
フレームに出力軸を回転自在に支持する第１の軸受が取り付けられると共に、前記第１の軸受の内周面にカラーを介して前記出力軸を直動自在に支持する第２の軸受を備えており、
直動方向の変位を検出する前記第２の検出器は前記回転駆動部の反負荷側に設けられると共に被検出体と検出器から構成されており、
前記被検出体は、前記回転駆動部の出力軸の反負荷側を回転自在に径方向に軸支持する第３の軸受の外輪に取り付けられた中空円筒部材に備えられており、
前記中空円筒部材は前記直動駆動部の出力軸とアームにより接続してあることを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。 - 前記回転駆動部の支持機構は、
フレームに出力軸を回転自在に支持する第１の軸受が取り付けられると共に、前記第１の軸受の内周面にカラーを介して前記出力軸を直動自在に支持する第２の軸受を備えており、
前記検出器部は前記回転駆動部の負荷側と反負荷側の支持機構の間に設けられると共に被検出体と検出器から構成されており、
前記回転駆動部の出力軸の端部に、回転自在に径方向に軸支持する第３の軸受を設けると共に、前記第３の軸受の外輪に取り付けられたアームを前記直動駆動部の出力軸と接続することにより、直動・回転を行うようにしたことを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。 - 前記回転駆動部および前記直動駆動部は、界磁とする永久磁石もしくは鉄心歯を備えた界磁と、前記界磁と磁気的空隙を介して対向配置されると共に移動磁界を発生する電機子を備えたことを特徴とする請求項１または３記載のアクチュエータ。
- 前記回転駆動部のモータ部における界磁部は、前記出力軸を直動自在に支持する前記第２の軸受に備えられたカラーに取り付けられたことを特徴とする請求項４または５記載のアクチュエータ。
- 前記第１の検出器の被検出体と前記回転駆動部におけるモータ部の界磁部の両方が、前記出力軸を直動自在に支持する前記第２の軸受に備えられたカラーに取り付けられたことを特徴とする請求項４または５記載のアクチュエータ。
- 回転方向の角度を検出する前記第１の検出器は、被検出体と検出器から構成され、前記被検出体は、前記出力軸を直動自在に支持する前記第２の軸受に備えられたカラーに取り付けられたことを特徴とする請求項４または５記載のアクチュエータ。
- 前記検出器部は、前記第１の検出器と前記第２の検出器の機能を一体化したものであることを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。
- 前記出力軸を非磁性材にて構成することを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。
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