JP2015124864A

JP2015124864A - 回転・直動アクチュエータ

Info

Publication number: JP2015124864A
Application number: JP2013271559A
Authority: JP
Inventors: 和志染谷; Kazuyuki Someya
Original assignee: Oriental Motor Co Ltd
Current assignee: Oriental Motor Co Ltd
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-07-06
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: JP6301130B2

Abstract

【課題】省スペースで構造が簡単な回転・直動アクチュエータを提供する。
【解決手段】駆動軸５０を軸方向へ移動させるための第１のモータ３０と、第１のモータ３０と同一軸線上に配置され、駆動軸５０を回転させるための第２のモータ１０とから構成される回転・直動アクチュエータであって、第１のモータ３０は小径部３３ａと大径部３３ｂの中空出力軸３３を有し、駆動軸５０のねじ部５０ｂに係合される第１のナット３９を大径部３３ｂに装着し、かつ第２のモータ１０は小径部１３ａと大径部１３ｂの中空出力軸１３を有し、駆動軸５０のスプライン部５０ａに係合される第２のナット１９を大径部１３ｂに装着するとともに、第１のモータ３０により第１のナット３９を回転して駆動軸５０を軸方向に移動し、かつ第２のモータ１０により直接に又は伝達機構を介して第２のナット１９を回転して駆動軸５０を回転するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は省スペースで構造が簡単な回転・直動アクチュエータに関する。

従来、この種の回転・直動アクチュエータとしては、例えば、特開平５−２９６３０８号公報（特許文献１と略称する。）や特開平６−２９２３４３号公報（特許文献２と略称する。）に示すようなものがある。

特許文献１の回転・直動アクチュエータにおいては、２台のモータと、ボールねじとナットにより構成され、詳細には、出力軸側に設けた第１のモータの回転子に固定したナットと、ナットと嵌合するボールねじと、ボールねじの出力側と反対側の端部に設けたスプラインと、このスプラインと嵌合する溝を内径に切った中空シャフトと、この中空シャフトに固定した第２のモータの回転子と、前記第１のモータの固定子と第２のモータの固定子を一体化するブラケットとで構成された回転・直動アクチュエータが開示されている。

特許文献２の回転・直動アクチュエータにおいては、ボールねじ、または、ねじが形成されたねじ部および、スプラインまたはボールスプラインが形成されたスプライン部とを部分的に有する駆動軸と、この駆動軸を軸方向へ移動させるための第１のモータおよび駆動軸のねじ部に係合される第１のナットと、前記駆動軸を回転させるための第２のモータおよび駆動軸のスプライン部に係合される第２のナットとを備え、モータ軸に中空部を設けることによってモータ軸と駆動軸を一直線に配置した回転・直動アクチュエータが開示されている。

しかしながら、このような従来の特許文献１の技術においては、直動用のモータである第１のモータは、回転子の内径側を、カップ状のハブに固定してある。カップ状のハブのリム部にはナットを固定し、ナットを回転するようにしてある。このため、第１のモータの回転子は、ナットをリム部に固定する部分の外径より大きくなり、これに伴い固定子の外径、つまり第１のモータの外径が大きくなってしまう。さらに、固定子および回転子が薄型となってしまい、モータのトルクが十分に大きくできない。

また、ナットの外周は、ハウジングを介し、複列アンギュラ軸受により高剛性で支持しているが、１箇所のみの軸受支持なので、第１のモータの回転子（ナット）の回転が安定しないという問題点があった。第２のモータの中空シャフトの内面に設けた溝に、ボールねじの出力軸と反対側の端面に設けたスプラインと嵌合し、軸方向に摺動するようにしてある。このため、ボールねじのストローク分の長さを持つ中空シャフトの内面に溝を切ることは、加工コストが増大するという問題点もあった。

特許文献２においては、第１のモータの中空出力軸にボールナット部を結合することで、第１のモータの外径を小さくすることができる。つまり、ボールナットの外径に拘らず、駆動軸が挿通できる内径の中空出力軸を駆動できる大きさの外径を持つモータが使用できる。さらに、固定子、回転子もモータの出力（直動の推力）に応じた大きさ（厚み）のモータが使用できる。第２のモータの中空出力軸にスプラインナット部を結合することで、第２のモータの中空出力部に直接、溝を切る必要がなくなる。

特開平５−２９６３０８号公報特開平６−２９２３４３号公報

しかしながら、駆動軸にかかるスラスト荷重は、モータ部とボールナットが分割構造なので、主としてボールナットで受けられる。第１のモータの中空出力軸の支持にはアンギュラ玉軸受が設けられているが、ボールナット部は軸受等で支持されていない。スプラインナットは駆動軸の振れ止めとしての機能も有しているが、このスプラインナットも軸受等で支持することができないので、振れ止めの効果が弱いという問題点があった。

本発明は、このような従来の課題を解決することができる、省スペースで構造が簡単な回転・直動アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、中空出力軸モータを２台連結し、中空出力軸の中にスプライン軸とボールねじ軸が一体となった駆動軸を配置し、各中空出力軸を大径部と小径部で構成し、それぞれの大径部にスプラインナット及びボールねじナットを係合することで、駆動軸を太く出来るとともに、モータ出力を出来るだけ大きくすることが出来、中空出力軸の中空部をストロークとして有効に使用することが出来る。さらに、中空出力軸の大径部を軸受で支持することで、ナット部を直接支持することができ、大きな径の軸受を使用できるため、高剛性となり強固に安定して中空出力軸を支持することできる。さらに、ボールねじナットが係合される中空出力軸の大径部の支持には、複列のスラスト・ラジアルベアリングを用いることで、駆動軸にかかるスラスト荷重を強力に受けることができる。

本発明によれば、以下に列挙する効果が得られる。
ねじ部とスプライン部とを有する駆動軸と、前記駆動軸を軸方向へ移動させるための第１のモータと、前記第１のモータと同一軸線上に配置され、前記駆動軸を回転させるための第２のモータとから構成される回転・直動アクチュエータであって、前記第１のモータは、小径部と大径部の中空出力軸を有し、前記駆動軸のねじ部に係合される第１のナットを該大径部に装着し、かつ、前記第２のモータは、小径部と大径部の中空出力軸を有し、前記駆動軸のスプライン部に係合される第２のナットを該大径部に装着するとともに、前記第１のモータにより前記第１のナットを回転して前記駆動軸を軸方向に移動し、かつ前記第２のモータにより直接に又は伝達機構を介して前記第２のナットを回転して前記駆動軸を回転するように構成したので、従来のものより、機構面積を少なくし、省スペース化が出来るとともに、ストロークが長く取れる。デッドスペースがスプラインナット部・ボールねじ部と少ない。また、伝達部品の削減、部品の共通化によるコスト削減が出来る。さらに、モータモジュールとしてボールねじのリードや機種を容易に変更出来る。スプラインナット及びボールねじナットが係合されている中空出力軸の大径部の円周上に大きなベアリングを設置することにより、スプラインナットとボールネジナットの振動を抑制すると共に高剛性で高寿命化を達成出来る。

本発明の実施の形態による回転・直動アクチュエータを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。本発明の他の実施の形態による回転モータ部と直動モータ部を反対にした回転・直動アクチュエータを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。本発明の別の他の実施の形態による回転・直動アクチュエータを示す縦断面図である。本発明の他の実施の形態によるセンサレスモータの回転・直動アクチュエータを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＺ−Ｚ線断面図である。図１のねじ部とスプライン部が部分的に形成されている駆動軸を示す斜視図である。ねじ部とスプライン部が全軸に渡り形成されている駆動軸を示す斜視図である。ねじ部とＤカットスプライン部が部分的に形成されている駆動軸を示す斜視図である。ねじ部と多面スプライン部が部分的に形成されている駆動軸を示す斜視図である。ねじ部と多溝スプライン部が部分的に形成されている駆動軸を示す斜視図である。

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、本発明の一実施例を示す回転・直動アクチュエータの正面図およびＸ−Ｘ線断面図である。
まず構成を説明すると、回転・直動アクチュエータ１は、同一軸線上に配置された第２のモータとしての回転モータ部１０と、第１のモータとしての直動モータ部３０で構成されている。回転モータ部１０は、円筒状に配置されたステータ１１と、このステータ１１の軸線上に同心状に配置されたロータ１２と、このロータ１２の軸線上に挿通され、該ロータ１２を支持する中空出力軸１３とを備えている。
前記中空出力軸１３は、小径部１３ａと大径部１３ｂが設けられている。
前記ステータ１１の軸方向の一側にはブラケット１４が配置され、前記ステータ１１の軸方向の他側にはフランジ１５が配置されている。このフランジ１５のボス部１５ａには、フランジ側ベアリング１６が配置されて、前記中空出力軸１３の大径部１３ｂ側外周面を支持している。前記ブラケット１４のボス部１４ａには、ブラケット側ベアリング１７が配置されて、前記中空出力軸１３の小径部１３ａ側外周面を支持している。

前記ブラケット１４のボス部１４ａと反対側の空間部には、前記中空出力軸１３の小径部１３ａの外周側に位置するように回転検出センサ部１８が配置されている。一方、前記中空出力軸１３の大径部１３ｂの内側には、スブラインナット１９が内装されている。前記ブラケット１４には、外周面にケーブルを引き出すためのケーブルクランプ２０が設けられている。前記ブラケット１４の空間部には、回転検出センサ部１８の開口部を塞ぐセンサカバー２１が配置されている。ケーブルクランプ２０は、ネジ２２を介して前記ブラケット１４の外周壁面１４ｂに螺着されている。前記中空出力軸１３の大径部１３ｂの開口端部には、カバー２３が装着されて前記スブラインナット１９の抜け止めが図られている。

前記直動モータ部３０は、円筒状に配置されたステータ３１と、このステータ３１の軸線上に同心状に配置されたロータ３２と、このロータ３２の軸線上に挿通され、該ロータ３２を支持する中空出力軸３３とを備えている。
前記中空出力軸３３は、小径部３３ａと大径部３３ｂが設けられている。
前記ステータ３１の軸方向の一側にはブラケット３４が配置され、前記ステータ３１の軸方向の他側には第１のフランジ３５_１、および第２のフランジ３５_２が同軸方向に並設されている。この第１のフランジ３５_１、および第２のフランジ３５_２のボス部には、複列のスラスト・ラジアルベアリング３６が配置されて、前記中空出力軸３３の大径部３３ｂ側外周面を支持している。前記ブラケット３４のボス部３４ａには、ブラケット側ベアリング３７が配置されて、前記中空出力軸３３の小径部３３ａ側外周面を支持している。

前記ブラケット３４のボス部３４ａと反対側の空間部には、前記中空出力軸３３の小径部３３ａの外周側に位置するように回転検出センサ部３８が配置されている。一方、前記中空出力軸３３の大径部３３ｂの内側には、ボールねじナット３９の基端部３９ａが内装されている。前記ブラケット３４には、外周面にケーブルを引き出すためのケーブルクランプ４０が設けられている。前記ブラケット３４の空間部には、回転検出センサ部３８の開口部を塞ぐセンサカバー４１が配置されている。前記ケーブルクランプ４０はネジ４２を介して前記ブラケット３４の外周壁面３４ｂに螺着されている。ボールねじナット３９の先端フランジ部３９ｂはネジ４３を介して前記中空出力軸３３の大径部３３ｂに螺着されている。

前記回転モータ部１０と、直動モータ部３０は、前記中空出力軸１３と前記中空出力軸３３が同一軸線上に配置されており、この２台のモータ部の中心軸に、駆動軸５０としてのボールねじ・スプライン軸が配置されている。駆動軸５０は、ボールねじ・スプライン軸のスプライン部５０ａと、ボールねじ・スプライン軸のボールねじ部５０ｂを共通のシャフトに形成したものである。前記駆動軸５０のスプライン部５０ａには、前記スブラインナット１９が噛み合い、前記駆動軸５０のボールねじ部５０ｂには、前記ボールねじナット３９が噛み合っている。

前記中空出力軸１３の小径部１３ａは、回転モータ部１０のロータ１２と結合されており、前記中空出力軸３３の小径部３３ａは、直動モータ部３０のロータ３２と結合されている。回転モータ部１０のステータ１１からの回転磁界により、ロータ１２と共に中空回転軸１３が回転し、直動モータ部３０のステータ３１からの回転磁界により、ロータ３２と共に中空回転軸３３が回転する。
前記回転モータ部１０の中空出力軸１３の大径部１３ｂの中空部には、スプラインナット１９が係合されており、外径部はフランジ側ベアリング１６で支持されている。
また、直動モータ部３０の中空出力軸３３の大径部３３ｂの中空部には、ボールねじナット３９が係合されており、外径部は複列のスラスト・ラジアルベアリング３６で支持されている。

次に、上記の実施の形態による回転・直動アクチュエータの作用を説明する。
回転モータ部１０のロ−タ１２に中空出力軸１３が結合され、中空出力軸１３の大径部１３ｂにスプラインナット１９が結合されて、同期回転する。スプラインナット１９には駆動軸５０であるボールねじ・スプライン軸のスプライン部５０ａが噛合され、駆動軸５０も同期回転する。同様に直動モータ部３０のロ−タ３２に中空出力軸３３が結合され、中空出力軸３３の大径部３３ｂにボールねじナット３９が結合されており、同期回転する。ボールねじナット３９には、駆動軸５０であるボールねじ・スプライン軸のボールねじ部５０ｂが噛合されている。

この回転・直動アクチュエータの構造により、次のような動作が可能である。
回転モータ部１０を停止させ、直動モータ部３０のみを動かすとボールねじナット３９の回転に伴って駆動軸５０はスラスト方向に移動する。
回転モータ部１０の回転方向と直動モータ部３０を同期回転することにより、駆動軸５０はその場で回転のみを行う。
回転モータ部１０と直動モータ部３０の回転速度差を生じるように行うことより、スパイラル的動作が可能となる。
モータの性能が同じ場合、回転モータ部１０と直動モータ部３０の回転方向を逆方法に動かすことにより、スラスト方向の速度はモータが１軸の場合の動きに対して最大２倍の速度を出すことが出来る。

作用
回転モータ部１０にスプラインナット１９と回転用大径ベアリング１６と回転検出センサ１８、直動モータ部３０にボールねじナット３９とスラスト・ラジアルベアリング３６と回転検出センサ３８が内蔵されている。さらに、各モータからの伝達機構がなく、直結していることにより、部品削減と共に省スペース化を実現できる。

スプラインナット１９、ボールねじナット３９を各モータのステータ１１、３１よりオフセットしたことにより、図１のように中空シャフト内部を有効ストロークとして使用できるため、全体を省スペース化出来る。図１の場合、ストロークＡ、Ｂの短い方Ｂが中空出力軸内部での使用出来るストロークとなる。

スプラインナット１９、ボールねじナット３９を各モータのステータ１１、３１よりオフセットしたことにより、モータロータ径の内径を出来るだけ小さく出来るため、中空出力軸１３，３３による出力低下を最小限にすることが出来る。また、反対にスプラインナット１９とボールねじナット３９を大きくすることが出来、駆動軸５０を大きくすることになり、高出力化及び高寿命化を図ることが出来る。

スプラインナット１９、ボールねじナット３９を各モータのステータ１１，３１よりオフセットしたことにより、スプラインナット１９及びボールねじナット３９の円周上に大きなベアリングを設置することができ、スプラインナット１９とボールねじナット３９の振動を抑制すると共に高剛性で高寿命化を達成出来る。また、同時に省スペース化を実現している。

前記回転モータ部１０と、直動モータ部３０を連結するために、連結部品を設けず、回転モータ部１０のブラケット１４、またはセンサカバー２１に直動モータ部３０の第２のフランジ３５_２を直接結合する構造となっており、省スペース化を図っている。

前記回転モータ部１０と、直動モータ部３０が独立しているため、どちらかが壊れた場合、容易に交換することができる。スプラインナット１９、ボールねじナット３９が壊れても容易に交換することが出来る。

前記回転モータ部１０のフランジ１５、中空出力軸１３、フランジ側ベアリング１６、ブラケット１４、センサカバー２１、ケーブルクランプ２０と、直動モータ部３０の第１のフランジ３５_１、および第２のフランジ３５_２、中空出力軸３３、複列のスラスト・ラジアルベアリング３６、ブラケット３４、センサカバー４１、ケーブルクランプ４０とは、互いに相違しているが、それ以外の部品については共通の部品を使用できるものが多いことから、コスト的にもメリットがある。

図２（ａ）（ｂ）は、本発明の他の実施の形態であり、図１（ａ）（ｂ）の回転モータ部１０と、直動モータ部３０の軸方向の位置を前後逆に配置したもので、同一部分は同符号を付して同一部分の説明は省略して説明する。
この場合回転モータ部１０と、直動モータ部３０の軸方向の位置を入れ替えることにより駆動軸５０_２には、スプラインナット１９に噛合するスプライン部５０ａを後方に、ボールねじナット３９に噛合するボールねじ部５０ｂが前方に形成されている。

図３は、本発明の別の他の実施の形態であり、この場合、図１（ｂ）と同一部分は同符号を付して同一部分の説明は省略して示すものである。
この場合、駆動軸５０_１には、図１に記載した駆動軸５０よりも全長の長いものを使用したものである。したがって、駆動軸５０_１は回転モータ部１０と、直動モータ部３０のいずれの側からも突出して作動させることができる。こうして、駆動軸５０_１としてのボールねじ軸・スプライン軸がブラケット３４側、フランジ１５側に飛び出している。

図４（ａ）（ｂ）は、本発明の別の他の実施の形態であり、この場合、図１（ａ）（ｂ）と同一部分は同符号を付して同一部分の説明は省略して示すものである。
この実施例は、所謂、センサレスモータで回転検出センサ部１８、３８を省略して全長を短くしたものである。駆動軸５０には、図１の実施の形態よりわずかに短いものを使用している。作用および効果は図１の実施の形態と同様である。

図５及び図６は本発明の駆動軸の変形例であり、図５の場合は、駆動軸５０_３にボールねじ・スプライン軸のスプライン部５０_３ａと、ボールねじ・スプライン軸のボールねじ部５０_３ｂを部分的に形成したものである。こうして、前記スブラインナット１９またはボールねじナット３９がスプライン部５０_３ａまたはボールねじ部５０_３ｂに噛合している範囲内で移動することができる。
図６の場合、駆動軸５０_４は、前記駆動軸５０と異なり、ボールねじ・スプライン軸のスプライン部５０_４ａと、ボールねじ・スプライン軸のボールねじ部５０_４ｂの両方を共通のシャフトの全長に亘り形成したものである。前記駆動軸駆動軸５０_４のスプライン部５０_４ａには、前記スブラインナット１９が噛み合い、前記駆動軸５０_４のボールねじ部５０_４ｂには、前記ボールねじナット３９が噛み合っている。こうして、前記スブラインナット１９またはボールねじナット３９がスプライン部５０_４ａまたはボールねじ部５０_４ｂに噛合している範囲内で移動することができる。

以上説明してきたように、上記実施の形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。
従来のものより、機構全体の面積を少なくして、省スペース化を図ることが出来る。
デッドスペースがスプラインナット部・ボールねじ部と少ないことから、従来のものより、ストロークを長く取ることができる。
中空出力軸１３、３３からスプラインナット１９、あるいはボールねじナット３９を介して直接、駆動軸５０、５０_１、５０_２、５０_３に伝達することができるので、伝達部品の削減、部品の共通化によるコスト削減を図ることが出来る。
モータモジュールとしてボールねじのリードや機種を容易に変更出来る。
スプラインナット１９及びボールねじナット３９が係合されている中空出力軸１３，３３の大径部１３ｂ、３３ｂの円周上に大きなベアリング１６，３６を設置することにより、スプラインナット１９とボールネジナット３９の振動を抑制すると共に高剛性で高寿命化を達成出来る。

なお、上記実施の形態では、駆動軸のボールねじ・スプライン軸は回転モータ部がスプライン部、直動モータ部がボールねじ部を結合したものを用いているが、図５のように部分的にスプライン部とボールねじ部を設けたものでもよく、あるいは、図６のように全軸スプライン部とボールねじ部が融合したものを用いても、同じ効果が得られる。
また、駆動軸の変形例として、図７のように駆動軸５０_５は、ボールねじ部５０_５ｂと外径をＤカットした軸５０_５ａでもよく、この場合、スプラインナット１９に変えて、Ｄカットした軸５０_５ａに対応したＤカットした軸対応のナット５９を用いる。さらに、図８のように駆動軸５０_６は、ボールねじ部５０_６ｂと多面カットをした軸５０_６ａを用いてもよく、この場合、スプラインナット１９に変えて、多面カットをした軸５０_６ａ対応のナット６９を用いる。
あるいは図９のように駆動軸５０_７は、ボールねじ部５０_７ｂと多溝を有する回り止め軸５０_７ａを用いたものでもよい。この場合、スプラインナット１９に変えて、多溝を有する回り止め軸５０_７ａ対応のナット７９を用いる。これらの駆動軸５０_５、駆動軸５０_６、駆動軸５０_７によっても同じ効果が得られる。等、その他、本発明の技術的思想を変更しない範囲内で適宜変更して実施しうることは言うまでもない。

１回転・直動アクチュエータ
１０回転モータ部（第２のモータ）
１１ステータ
１２ロータ
１３中空出力軸
１３ａ小径部
１３ｂ大径部
１９スブラインナット
３０直動モータ部（第１のモータ）
３１ステータ
３２ロータ
３３中空出力軸
３３ａ小径部
３３ｂ大径部
３９ボールねじナット
５０、５０_１〜５０_７駆動軸
５０ａスプライン部
５０ｂボールねじ部

Claims

ねじ部とスプライン部とを有する駆動軸と、前記駆動軸を軸方向へ移動させるための第１のモータと、前記第１のモータと同一軸線上に配置され、前記駆動軸を回転させるための第２のモータとから構成される回転・直動アクチュエータであって、
前記第１のモータは、小径部と大径部の中空出力軸を有し、前記駆動軸のねじ部に係合される第１のナットを該大径部に装着し、かつ、前記第２のモータは、小径部と大径部の中空出力軸を有し、前記駆動軸のスプライン部に係合される第２のナットを該大径部に装着するとともに、前記第１のモータにより前記第１のナットを回転して前記駆動軸を軸方向に移動し、かつ前記第２のモータにより直接に又は伝達機構を介して前記第２のナットを回転して前記駆動軸を回転するように構成したことを特徴とする回転・直動アクチュエータ。
前記駆動軸は、軸方向に沿ってねじ部とスプライン部が部分的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転・直動アクチュエータ。
前記駆動軸は、軸方向に沿ってねじ部とスプライン部が駆動軸の全域に渡り形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転・直動アクチュエータ。
前記第１のモータの中空出力軸の大径部は、スラスト方向とラジアル方向の荷重を受けることができるベアリングを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転・直動アクチュエータ。
ねじ部とカット部とを部分的に有する駆動軸と、前記駆動軸を軸方向へ移動させるための第１のモータと、前記第１のモータと同一軸線上に配置され、前記駆動軸を回転させるための第２のモータとから構成される回転・直動アクチュエータであって、
前記第１のモータは、小径部と大径部の中空出力軸を有し、前記駆動軸のねじ部に係合される第１のナットを該大径部に装着し、かつ、前記第２のモータは、小径部と大径部の中空出力軸を有し、前記駆動軸のカット部に係合される第２のナットを該大径部に装着するとともに、前記第１のモータにより直接に又は伝達機構を介して前記第１のナットを回転して前記駆動軸を軸方向に移動し、前記第２のモータにより直接に又は伝達機構を介して前記第２のナットを回転して前記駆動軸を回転するようにしたことを特徴とする回転・直動アクチュエータ。