JP5218493B2 - アクチュエータ - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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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