JP2000257604A

JP2000257604A - 直動駆動装置及びこれを用いた直動駆動方法

Info

Publication number: JP2000257604A
Application number: JP11058953A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Hirata; 満平田
Original assignee: Hirata Corp
Current assignee: Hirata Corp
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2000-09-19
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: JP4059361B2

Abstract

(57)【要約】【課題】中空モータに、流体供給でピストンロッドが
直動するシリンダを一体化することで、重量の大きなワ
ークも扱うことができ、かつ大幅なコストダウンを実現
する。【解決手段】エア供給でピストンロッド２４が直動す
るシリンダ２，２と、ステータ７への通電により中空回
転軸８を回動してボールネジ４を直動する中空モータ１
とから構成された直動駆動装置であって、シリンダ２，
２と中空モータ１とを一体的に固定することで、ピスト
ンロッド２４とボールネジ４とからなる案内手段で直動
自在に保持されるテーブル３１と、その直動量を検出す
るエンコーダ１３とを具備する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は直動駆動装置とこれ
を用いた直動駆動方法に係り、例えば生産ラインや物流
ラインにおいて搬送される物品を所定作業場所で任意に
停止させ物品の昇降や移動を行なう汎用性に富む電気と
空気圧とで駆動されるハイブリッド式の直動技術に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、重量の大きなワークの昇降
や、ワークを水平に移動するスライド機構において、大
きな力を発生する空気圧シリンダが用いられている。こ
のようにな空気圧シリンダはピストンロッドの正確な移
動位置決め制御が困難である。このことから、特公平４
−５７５９５号公報の「吊下装置」にみられるように、
モータ駆動されるボールネジを備えた昇降部をエア圧で
バランスを保持し、かつ吊り下げる物品の重量に応じて
エア圧を切換え可能にすることで、モータ駆動制御とエ
アシリンダへのエア圧供給制御の双方を行なうことで任
意の停止位置決めを行なう技術が知られている。

【０００３】また、特開昭６３−１５４０３８号公報の
「ボールネジ付き中空モータ」によれば、回転子にボー
ルナットを固定しておき、このボールナットに螺合する
ボールネジをモータの出力軸とすることで、モータ回転
にともないボールネジをモータから出し入れするように
構成された中空モータが提案されており、直動機構を省
略でき小型軽量に構成できることから現在多く使用され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
特公平４−５７５９５号公報の「吊下装置」によれば、
専ら吊り下げられるワークの重量変化に対応するもので
あるので、重量の大きなワークの昇降や、ワークを水平
に移動する直動機構にそのまま採用することはできな
い。

【０００５】一方、ワークの昇降装置にはワークを上下
方向にガタ付きなく安定して案内するための案内機構が
必要であり、水平方向のスライド機構にも同様な案内機
構を設ける必要がある。したがって、このようなワーク
案内機構を上記の吊下装置にさらに追加することで、重
量の大きなワークの昇降や、ワークを水平に移動する直
動装置を実施できないことはない。

【０００６】しかしながら、このようなワーク案内機構
を、例えば上記の吊下装置に追加するようにして昇降装
置またはスライド装置を構成した場合には、当然ながら
その分のコストアップを招くことになるし、また構成が
煩雑となる。

【０００７】したがって、本発明は上記の問題点に鑑み
てなされたものであり、直動機構を備えた中空モータ
に、流体供給でピストンロッドが直動するシリンダを一
体化することで、重量の大きなワークも扱うことがで
き、大幅なコストダウンを実現でき、しかもシンプルに
構成できる直動駆動装置とこれを用いた直動駆動方法の
提供を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決し、目
的を達成するために、本発明によれば、流体供給でピス
トンロッドが直動するシリンダと、回転子の回転中心の
貫通孔に挿通される棒体を、前記回転子に固定された回
転直動変換部に係合させ、固定子または回転子への通電
により前記回転子を回動して前記棒体を直動する中空モ
ータとから構成された直動駆動装置であって、前記シリ
ンダと前記中空モータとを一体的に固定することで、前
記ピストンロッドと前記棒体とからなる前記案内手段で
直動自在に保持される移動体と、前記移動体の直動量を
検出する検出手段とを具備することを特徴としている。

【０００９】また、前記シリンダと前記中空モータとを
直動方向に並列に一体的に固定するとともに、前記移動
体を前記ピストンロッドの端部と前記棒体の端部に固定
したことを特徴としている。

【００１０】また、前記中空モータに対して一対分の前
記シリンダを直動方向に並列に一体的に固定するととも
に、前記移動体を一対分の前記ピストンロッドの端部と
前記棒体の端部に固定したことを特徴としている。

【００１１】また、前記シリンダと前記中空モータとを
直動方向に直列に一体的に固定するとともに、前記ピス
トンロッドの端部または前記棒体の端部を前記移動体と
して、廻り止状態で直動自在にしたことを特徴としてい
る。

【００１２】また、前記シリンダは所定空圧の供給及び
排気で作動し、また前記中空モータは前記回転子にロー
タを設け、ステータに回転磁界を印加するサーボモータ
であり、前記棒体はネジリード溝を外周面に有するボー
ルネジであり、かつ前記回転直動変換部は前記ネジリー
ド溝に螺合するボール体を備えたボールナットであり、
前記検出手段は前記回転子に固定されるエンコーダであ
ることを特徴としている。

【００１３】そして、直動駆動装置を用いた直動駆動方
法であって、前記流体供給のための流体制御手段と、前
記通電のための通電制御手段と、前記流体制御手段と前
記通電制御手段と前記検出手段とに接続されることで、
前記流体供給と前記通電と前記位置決めの所定同期制御
を司るための主制御手段とを具備し、前記流体供給のた
めの流体制御と前記通電と前記位置決めのための通電制
御とを行ない、前記移動体に加わる荷重または加重、あ
るいは加重と荷重の双方とを受けつつ直動制御すること
を特徴としている。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に本発明の好適な各実施形態
について添付の図面を参照して述べる。

【００１５】図１は、並列式の直動駆動装置の要部断面
図である。また、図２は図１のＸ−Ｘ線矢視図である。
図１と図２において、共通のベース板３０の中央に中空
モータ１が、またこの中空モータ１を挟んで左右に空気
または油の流体供給によりピストンロッド２４が直動す
るようにしたシリンダ２が設けられている。

【００１６】中空モータ１は、モータハウジング３と、
この内部において図示の位置に夫々内蔵され固定されス
ラスト方向のガタ付きを防止したアンギュラコンタクト
軸受などからなるベアリング６と、このベアリング６に
より回転自在に軸支される中空回転軸８と、この中空回
転軸８の外周面に固定される多極着磁されたロータ磁石
９と、このロータ磁石９に対向してモータハウジング３
の内部に固定されるステータ７とから構成されており、
ステータ７に対してモータ用端子１２を介して所定波形
の電力供給を行なうことで、回転磁界をステータ７に発
生させ、この回転磁界によりロータ磁石９を磁気吸引し
て中空回転軸８を所定方向に回転駆動するように構成さ
れている。

【００１７】この中空回転軸８の下方側には、ロータリ
エンコーダ１３が固定されており、エンコーダ用端子１
４を介して中空回転軸８の回転量をモータ制御部１０１
に入力して、回転量に基づく中空モータ１の所定制御を
可能にしている。尚、このロータリエンコーダ１３に代
えてリニアエンコーダを後述する直動方向に沿うように
固定し、移動量を直に検出してモータ制御部１０１に入
力するようにしても良い。

【００１８】中空回転軸８の回転中心には長手方向に貫
通孔が穿設されており、この貫通孔を上下に通過するよ
うにして棒体であるボールネジ４が設けられている。こ
のボールネジ４の外周面上には図示のようなボール溝部
４ａが形成されており、このボール溝部４ａに一部が入
るようにした多数のボールを循環移動するように内蔵し
た回転直動変換部であるボールナット５が係合するよう
に設けられている。このボールナット５には図示のよう
なフランジ部が一体形成されており、このフランジ部を
介して中空回転軸８の上端壁面に固定している。ボール
ネジ４の上端は移動基部となるテーブル３１の底面に対
して固定部材３２を介して固定されるとともに、ボール
ネジ４の下端側は、ボール溝４ａの山部を案内するよう
にしたボールネジベアリング１１により長手方向に移動
可能に案内してラジアル方向のガタ付き防止を図ってい
る。尚、移動距離が少なくガタ付きが大きくない場合に
は、ボールネジベアリング１１は設けなくとも良い。こ
のボールネジベアリング１１の下方には、ボールネジ４
を図示の状態からさらに下方に移動可能にするための孔
部３０ａが上記のベース板３０に穿設されている。

【００１９】次に、シリンダ２は、ピストンロッド２４
の先端に固定されたピストン２２を気密または液密状態
で摺動可能に案内する内径部を形成したシリンダ室２１
を有する本体２０と、ピストンロッド２４の上端側を摺
動自在に案内するピストン軸受２３とから構成されてお
り、シリンダ室２１に連通する入口部２５ａ、２５ｂと
排気口２７を介して所定流体の供給及び排気を行なうこ
とで、シリンダ室の内圧を変化させることで、ピストン
ロッド２４を上下移動させる。

【００２０】これらのピストンロッド２４の上端は上記
のテーブル３１の底面に固定されており、テーブル３１
の矢印方向の移動を行なうようにしている。ここで、こ
れらのピストンロッド２４とボールネジ４の間の平行度
が確保されないと、コジレを発生して不動状態でロック
するので、いずれかのテーブル固定部に自由度を設ける
必要があることは言うまでもないが、これについてはラ
バーブッシュ、ユニバーサル軸受等が使用可能であ
る。、また、入口部２５ａ、２５ｂには配管がなされて
おり、ポンプ装置１０３から空気圧を得るようにした流
体制御部１０２に対して接続されている。排気口２７に
は排気音を減少するためのサイイレンサーが配管され
る。

【００２１】上記のモータ制御部１０１と流体制御部１
０２は主制御部１００に接続されており、これらの同期
を図りつつ制御するようにしている。

【００２２】また、図２において、中空モータ１は図示
のように正方形の側面形状を有するモータハウジングか
ら構成される場合には、同じく略正方形の側面形状を有
するシリンダ２と図示のように合体するようにできるの
で、上記のピストンロッド２４の中心間距離Ｌを少なく
設定できるようになり、より小型に構成できるようにな
る。また、シリンダ２のハウジング２０において図示の
ように長手方向に沿うように連続形成した蟻溝部２０ａ
をさらに形成することで、装置３００に対してボルトナ
ットを用いて直に固定できるようになる。この場合、中
空モータとシリンダを固定できれば、上記のベース３０
は不要となりさらなるコストダウンが可能となる。さら
に、図２において、中空モータの４辺各側面に沿うよう
に３、４本のシリンダを増設することも可能である。あ
るいは、１本のシリンダを併設しても良い。

【００２３】図３は、シリンダと中空モータとを直動方
向に直列に一体的に固定した場合を示した中心断面図で
ある。本図において、既に説明済みの構成部品について
は同様の符号を附して説明を割愛して特徴部分について
述べると、先ず、中空モータ１に設けられるボールネジ
４には上記のボール溝部４ａに加えて、長手方向に沿う
Ｖ溝部４ｂが形成されており、このＶ溝部４ｂがボール
ナット５の隣りに固定された廻り止部材１９に設けられ
た突起部に潜入するようにして、ボールネジ４が回転し
ないようにして、ボールナット５の回転にともないボー
ルネジ４を矢印方向に出し入れ可能にしている。尚、図
１、２で述べた場合には、ボールネジ４の上端はテーブ
ル３１に固定されているので回転しない。

【００２４】一方、このボールネジ４の反対側には、一
体部品または別部品として準備されたピストンロッド２
４が固定されている。

【００２５】このように直動方向に直列に一体的に固定
した場合には、より狭い空間に設けることが可能とな
る。

【００２６】図４は、上記の流体制御部の空気回路図で
ある。先ず、図４（ａ）において、エアコンプレッサー
１０３から所定空気圧を得てからバルブ５０でオンオフ
され、オンされた空気圧は、圧力調整ユニット５１にお
いて圧力ａに設定され、その後に油脂成分、水分を除去
するミストセパレータ５２を通過して、分岐管を通過し
てリリーフレギュレータ５６に入る。また、分岐管から
分岐した管路にはシリンダの前進用の圧力となる圧力ｂ
に設定するための精密減圧弁５４と、シリンダの後退用
の圧力となる圧力ｃに設定するための精密減圧弁５３と
に接続されており、上記の主制御部１００からの制御信
号に基づき駆動される３方向電磁弁５５のｃ側とｂ側に
接続し、３方向電磁弁５５の出口を上記のリリーフレギ
ュレータ５６のパイロットエアポートＰＡに接続してい
る。このリリーフレギュレータ５６からは、図１で述べ
たシリンダ２の入口部２５ａ、２５ｂまたは、図３で述
べたシリンダの入口部２５ｃに接続される配管が延びて
いる。

【００２７】以上説明した空気回路構成において、図
１、図３の待機状態から起動されると、圧力ａのままで
リリーフレギュレータ５６に達した圧力は同じ圧力で、
通過して入口部２５ａ、２５ｂ、２５ｃに入る。また、
精密減圧弁５４を通過して圧力ｂになった空気圧は、３
方向電磁弁５５の電磁弁スイッチｂ側がオンされること
で、リリーフレギュレータ５６のパイロットエアポート
ＰＡに入る。このパイロットエアポートＰＡの働きで、
リリーフレギュレータ５６の出力が圧力ｂに変化して、
シリンダ室に入力されて、たとえはテーブル３１を上方
に移動する際の推力を発生する。ここで、このリリーフ
レギュレータの基本的な役割は、パイロットエアポート
ＰＡへの入力圧力と同じ圧力に出口側を設定し、ピスト
ンロッド２４が後退するときに放出されるエアーをリリ
ーフレギュレータの出力側に返し、放出可能にするもの
である。

【００２８】また、３方向電磁弁５５の電磁弁スイッチ
ｃ側オンとすることで、圧力ｃに設定でき、この圧力ｃ
＜圧力ｂの関係であるので、中空モータ１を逆回転駆動
すれば、エアーは圧縮された状態で移動しつつリリーフ
レギュレータから排気されることになる。

【００２９】以上の動作を繰り返し行なうとともに、中
空モータ１のエンコーダ１３によりボールネジ４の移動
量を常にモニターしておくことで、所望の位置にテーブ
ル３１が移動したら中空モータへの通電を停止するか
か、または図示しない電磁ブレーキによりボールネジの
回転を強制的に停止してテーブル３１の位置決めを行な
う。

【００３０】次に、図４（ｂ）において、図４（ａ）で
既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して
説明を割愛すると、精密減圧弁５２は図示のように４個
分が並列接続されており、次第に圧力を段階的に下げる
ようにしてから、３方向電磁弁５５に入力するようにし
ている。

【００３１】以上の構成によれば、ワークを所定孔部に
圧入したり、極端に重いワークを上方に上昇させるとき
に、所定の高圧をシリンダに導入できるようになるの
で、中空モータの限られた推力では到底不可能となる直
動動作を行なうことが可能となる。また、下降するとき
には、次第に小さな圧力をシリンダ内に導入するように
切換えることでバランスを保持してスムーズに降下させ
ることが可能となる。

【００３２】以上のように、ワーク昇降または移動を行
なうときに発生する単一負荷に対し各アクチュエータで
あるボールネジとピストンロッドとにより分担して推力
を発揮し、しかもボールナットとともに回転する中空回
転軸の回転量の検出情報に基づき、目標とするスライド
位置に停止するように中空モータを制御するようにして
いる。また、中空モータにすることで、ボールネジが直
動ガイドを構成するので、その分のスペース効率向上が
図れる。また、図２に図示のようなハウジング形状とす
ることでシリンダを任意に増減できるようにして分割ユ
ニット化または標準ユニット化とすることが可能となる
ので分割・交換が容易となる。また、パワー変更も簡単
に行なえる。さらにスライドユニット、パワーユニット
として使用するときに、縦置き横置き配置するときの専
用固定部材が不要となる。

【００３３】尚、図３に示した直列型は空圧シリンダと
モータを直列に配置し、ピストンロッドとモータ側のボ
ールネジを連結することから中空モータの個数は一個と
なるが、空圧シリンダの個数はさらに軸方向に増加でき
るので、特に横のスペースが使用できない環境に適す
る。一方、図１に示した並列型は、空圧シリンダの個数
は上記のように増減でき、特に縦のスペースが使用でき
ない環境に適する。

【００３４】縦配置（昇降）は負荷対象物の静的荷重と
慣性力（加減速時）が加わる。横配置（水平）は負荷対
象物の摩擦力と慣性力（加減速時）が加わることになる
が、上記のようにエア圧と通電制御を行なうことで柔軟
に対応できる。

【００３５】空圧シリンダーのパワーは負荷対象物の荷
重（垂直時）・慣性力（水平時）とほぼ同じか、それ以
下とするバイアス推力とし、モータ動力のみで微調整
（制御）を行うことでモータ小動力化によりモータ容積
を小さくできる。また、無負荷に近い情況でモータ駆動
するので、機動力のある動きが可能となる。微調整（制
御）方法として、ボールナット回転の検出情報（位置、
速度、サーボモータのトルク検出）に基づき、モータ動
力（位置、速度、トルク）を制御し、ユニット全体の停
止動作、移動動作を行うことで、大きな負荷に対し、細
かな制御が可能となる。この結果、エアーシリンダのみ
に比べ、停止精度（位置、時間）の向上、自由な移動時
間の設定等が可能となる。別な微調整（制御）方法とし
て、負荷対象物の重量、大きさ、種類に基づき、モータ
動力（位置、速度、トルク）を制御し、ユニット全体の
停止動作パターン、移動動作パターンを択一選択するこ
とで、種々の負荷対象物に対して、制御プログラムのソ
フト変更のみで対応することが可能となり、この場合に
は集中制御がより簡単になる。

【００３６】モータパワー分担型として空圧シリンダー
と中空モータで、負荷対象物の荷重（垂直時）・慣性力
（水平時）に対する推力を分担し、モータ動力のみで微
調整（制御）を行ない、上記微調整（制御）することで
空圧シリンダーの負担を軽減することができるようにな
るが、機動力は落ちることになる。このときの機械的同
期は、ピストンロッドとモータボールネジの端部を機械
的に連結・拘束して、平行してスライドする。また、電
気的同期は、移動開始及び停止時の電磁弁開閉動作とモ
ータＯＮ／ＯＦＦ動作を同期させる。そして、停止方法
は、電磁ブレーキ等によりブレーキ付加後に、電磁ロッ
クを掛けると共に空圧バルブを閉じる。モータ制御とし
て中空モータとしてサーボモータを使用することによ
り、ＮＣ制御で自由度の高い利用が可能となる。

【００３７】釣り合い式は、Ｗ＝Ｒ＋ＮＲｉ（ｉ＝ｉ
番目のシリンダーの意）となり、例えばパラレル構成…
Ｗ＝Ｒ＋２Ｒｉ、シリアル構成…Ｗ＝Ｒ＋Ｒｉとなる。
ここで、Ｗ＝ワーク付加荷重、Ｒ＝ボールネジ推力、Ｒ
ｉ＝空圧シリンダー推力、Ｎ＝空圧シリンダー個数
（Ｎ，ｉ＝ｉ番目のシリンダーの意）となる。

【００３８】また、中空モータ推力発生原理は、Ｒの推
力はモータトルクΥとすると、Ｒ＝Υη／２πの推力を
発生する。ここで、Ｔ＝中空モータトルク、η＝ボール
ネジ（送りネジ）のリード、π＝ネジ効率であり送りネ
ジはボールネジとは限らずすべりネジを含み例えば他に
は台形ネジがある。

【００３９】一方、エア推力発生原理はエア推力Ｒｉ＝
Ｋ×Ａ×Ｐ、ここでＫ＝比例定数、Ａ＝空圧シリンダー
の受圧面積Ｐ＝設定圧力から求まる。

【００４０】シリアル構成の場合は、ボールネジスプラ
インは、軸の回り止めとしてのスプラインナットを用
い、中空モータによりその場でボールネジナットを回転
して、ボールネジを回転することなく推力を得ることが
できる。

【００４１】ボールネジスプライン軸の右半分はシリン
ダーのピストンロッドになっており、全体で、ボールネ
ジの推力＋エア推力の合計推力を得ることができ、省ス
ペースで高推力を生みだす。

【００４２】これらのボールネジスプラインとピストン
ロッドを多数一体に設けることにより多数の中空モータ
とシリンダーをシリアルに接続するように構成しても良
い。

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
直動機構を備えた中空モータに、流体供給でピストンロ
ッドが直動するシリンダを一体化することで、重量の大
きなワークも扱うことができ、大幅なコストダウンを実
現でき、しかもシンプルに構成できる直動駆動装置とこ
れを用いた直動駆動方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】並列式の直動駆動装置の要部断面図である。

【図２】図１のＸ−Ｘ線矢視図である。

【図３】直列式の直動駆動装置の中心断面図である。

【図４】エア回路構成図である。

【符号の説明】

１中空モータ２シリンダ３モータハウジング４ボールネジ５ボールナット６ベアリング７ステータ８中空回転軸９ロータ１３エンコーダ１９廻り止め部材２０ハウジング２１シリンダ室２２ピストン２４ピストンロッド３１テーブル１００主制御部１０１モータ制御部１０２流体制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体供給でピストンロッドが直動するシ
リンダと、回転子の回転中心の貫通孔に挿通される棒体を、前記回
転子に固定された回転直動変換部に係合させ、固定子ま
たは回転子への通電により前記回転子を回動して前記棒
体を直動する中空モータとから構成された直動駆動装置
であって、前記シリンダと前記中空モータとを一体的に固定するこ
とで、前記ピストンロッドと前記棒体とからなる前記案
内手段で直動自在に保持される移動体と、前記移動体の直動量を検出する検出手段とを具備するこ
とを特徴とする直動駆動装置。
【請求項２】前記シリンダと前記中空モータとを直動
方向に並列に一体的に固定するとともに、前記移動体を
前記ピストンロッドの端部と前記棒体の端部に固定した
ことを特徴とする請求項１に記載の直動駆動装置。
【請求項３】前記中空モータに対して一対分の前記シ
リンダを直動方向に並列に一体的に固定するとともに、
前記移動体を一対分の前記ピストンロッドの端部と前記
棒体の端部に固定したことを特徴とする請求項２に記載
の直動駆動装置。
【請求項４】前記シリンダと前記中空モータとを直動
方向に直列に一体的に固定するとともに、前記ピストン
ロッドの端部または前記棒体の端部を前記移動体とし
て、廻り止状態で直動自在にしたことを特徴とする請求
項１に記載の直動駆動装置。
【請求項５】前記シリンダは所定空圧の供給及び排気
で作動し、また前記中空モータは前記回転子にロータを
設け、ステータに回転磁界を印加するサーボモータであ
り、前記棒体はネジリード溝を外周面に有するボールネ
ジであり、かつ前記回転直動変換部は前記ネジリード溝
に螺合するボール体を備えたボールナットであり、前記
検出手段は前記回転子に固定されるエンコーダであるこ
とを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の
直動駆動装置。
【請求項６】請求項１に記載の直動駆動装置を用いた
直動駆動方法であって、前記流体供給のための流体制御手段と、前記通電のための通電制御手段と、前記流体制御手段と前記通電制御手段と前記検出手段と
に接続されることで、前記流体供給と前記通電と前記位
置決めの所定同期制御を司るための主制御手段とを具備
し、前記流体供給のための流体制御と前記通電と前記位置決
めのための通電制御とを行ない、前記移動体に加わる荷
重または加重、あるいは加重と荷重の双方とを受けつつ
直動制御することを特徴とする直動駆動装置を用いた直
動駆動方法。