CN102171914B - 直线-旋转复合致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种实现半径方向的尺寸的小型化且可以承受来自移动体的载荷及力矩的直线-旋转复合致动器。在壳体(1a、2a)中以在轴线方向可以进行直线运动且可绕轴线进行旋转运动的方式收容花键轴(4)。花键轴(4)与线性电动机(1)的动子轴(5)连接。花键轴(4)被旋转电动机(2)的中空的转子(16)包围。转子(16)上连结有与转子(16)一同旋转而将转子(16)的旋转传递给花键轴(4)并且允许花键轴(4)进行直线运动的花键螺母(14)。旋转电动机(2)的转子(16)通过旋转电动机(2)的定子(21)旋转驱动。从花键轴(4)及动子轴(5)的轴线方向的一端部(3a)向轴线方向依次按顺序配置花键螺母(14)、旋转电动机(2)的定子(21)、线性电动机(1)的定子。

Description

直线-旋转复合致动器
技术领域
本发明涉及使工具等移动体向Z轴方向做直线运动、且绕Z轴的θ方向做旋转运动的直线-旋转复合致动器。
背景技术
工业用机器人中，有时装入使移动体沿Z轴方向移动，且使其绕Z轴沿θ方向旋转的直线-旋转复合致动器。例如，芯片底架的头轴要求使吸附电子器件的吸附盘、工具等移动体沿Z轴方向进行直线运动、且绕Z轴旋转。移动体向Z轴方向的直线运动需要在印制电路板的表面安装电子器件，移动体向θ方向的旋转运动需要对电子器件的旋转角度进行定位。
作为可进行直线运动和旋转运动的直线-旋转复合致动器，专利文献1中公开有一种将直线脉冲电动机和旋转脉冲电动机在轴线方向结合的线性-旋转复合型脉冲电动机。该线性-旋转复合型脉冲电动机中，将旋转脉冲电动机的转子制成中空轴，在该中空轴内配置带止转机构的花键轴承。线性脉冲电动机的动子(移动件)轴滑动自如地贯通花键轴承内，线性脉冲电动机使动子轴在Z轴方向进行直线运动。旋转脉冲电动机的旋转方向的输出经由花键轴承向动子轴传递。动子轴通过旋转脉冲电动机在θ方向进行旋转运动。
该线性-旋转复合型脉冲电动机中，由于采用动子轴的梳齿和定子的梳齿对置的线性步进电动机，所以不需要对减小动子轴和定子的空隙的一定的值进行管理。
为使动子轴和定子之间的空隙的管理容易，专利文献2中公开有代替线性脉冲电动机采用线性同步电动机的线性-旋转复合型电动机。该线性同步电动机具备具有在轴线方向上磁化的一个以上的永久磁铁的动子轴、包围动子轴且由在轴线方向上层叠的多个线圈构成的定子。在线性同步电动机的轴线方向的一端部结合旋转电动机。旋转电动机的转矩经由滑动轴承向动子轴传递。以可以向动子轴传递旋转的方式将滑动轴承的导向孔形成为剖面四角形。
专利文献1：日本特开平8-237931号公报
专利文献2：日本特开2006-311715号公报
发明内容
但是，专利文献1中记载的线性-旋转复合型脉冲电动机中，在动子轴的半径方向层叠花键轴承、旋转脉冲电动机的转子、旋转脉冲电动机的定子，因此，存在导致直线-旋转复合致动器的半径方向的尺寸大型化的问题。
专利文献2中记载的线性-旋转复合型电动机中，结构部件的设计从接近移动体的一侧依次为线性同步电动机、转矩传递用的滑动轴承、旋转脉冲电动机。在最接近移动体的位置配置线性同步电动机，接近动子轴的移动体的一侧的端部被线性同步电动机的套筒支承。但是，线性同步电动机的套筒由于允许动子轴的直线运动及旋转运动，所以在套筒和动子轴之间空出极小的空隙。由于移动体在动子轴的前端动作，所以对动子轴作用来自移动体的载荷及力矩。当在套筒和动子轴之间空出空隙时，动子轴以及安装于动子轴的移动体引起错位，不能承受对动子轴作用的载荷及力矩。
本发明的目的在于，提供一种实现半径方向的尺寸的小型化且能够承受来自移动体的载荷及力矩的直线-旋转复合致动器。
但是，在专利文献1及专利文献2中记载的线性-旋转复合型电动机中，为使动子轴旋转而使用旋转脉冲电动机。该旋转脉冲电动机被开路控制，使动子轴旋转与赋予的脉冲数成比例的一定角度。但是，开路控制的旋转脉冲电动机存在难以进行脱调、振动、高速旋转的问题。
因此，本发明的另一目的在于，提供一种能够通过闭环控制来控制动子轴的旋转角度的直线-旋转复合致动器。
为解决上述课题，本发明一方面提供一种直线-旋转复合致动器，其特征在于，具备：花键轴，其具有沿轴线方向延伸的滚动体滚道部；中空的转子，其包围所述花键轴；旋转电动机的定子，其形成收容所述转子的空间，并且使所述转子绕轴线旋转；花键螺母，其与所述转子一同旋转，将所述转子的旋转传递给所述花键轴，并且允许所述花键轴在轴线方向上进行直线运动；线性电动机的动子轴，其与所述花键轴连接；线性电动机的定子，其使所述线性电动机的动子轴在轴线方向上进行直线运动，所述花键螺母具有：包括与所述花键轴的所述滚动体滚道部对置的负荷滚动体滚道部的滚动体循环路径、在该滚动体循环路径上排列的多个滚动体，其中，从所述花键轴及所述动子轴的一端部沿轴线方向依次配置所述花键螺母、所述旋转电动机的定子、所述线性电动机的定子。
为解决所述本发明另一目的，本发明其它方面提供一种直线-旋转复合致动器系统，其特征在于，具备：轴部件，其能够在轴线方向上进行直线运动，且能够绕轴线进行旋转运动；中空的转子，其包围所述轴部件；旋转电动机的定子，其形成收容所述转子的空间，并且使所述转子绕轴线旋转；直动轴承，其与所述转子一同旋转，将所述旋转电动机的转子的旋转传递给所述轴部件，并且允许所述轴部件进行直线运动；线性电动机，其使所述轴部件在所述轴线方向上移动；角度测定装置，其测定所述转子的旋转角度；旋转电动机用驱动器，其控制所述旋转电动机，使所述角度测定装置测定的所述旋转电动机的转子的旋转角度与指令值一致，通过控制所述旋转电动机的转子的旋转角度，控制所述轴部件的旋转角度。
发明效果
根据本发明的一方面，构成直线-旋转复合致动器的结构部件从接近移动体的一侧按顺序为转矩传递用的花键螺母、旋转电动机、线性电动机，由于在最接近移动体的位置配置花键螺母，所以可以负荷对移动体作用的载荷及力矩。另外，由于从旋转电动机的定子向轴线方向错开位置配置花键螺母，因此，可以将直线-旋转复合致动器的半径方向的尺寸小型化。另外，在花键螺母的附近配置旋转电动机，在旋转电动机的附近配置线性电动机，因此，容易使旋转电动机的转子与花键螺母一同旋转。
根据本发明其它方面，设置测定中空的转子的旋转角度的角度测定装置，且控制不能在轴线方向移动的旋转电动机的转子的旋转角度，由此控制在轴线方向上移动的轴部件的旋转角度，因此，容易进行轴部件的旋转角度的控制。与之相对，假如直接通过角度测定装置测定轴部件的旋转角度，则轴部件不仅进行旋转，而且在轴线方向也进行直线运动，因此，产生需要覆盖轴部件的轴线方向的移动范围的细长的角度测定装置。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的直线-旋转复合致动器的立体图；
图2是线性电动机的立体图(包含一部分剖面)；
图3是表示被线圈支架保持的线圈单元的立体图；
图4是表示线性电动机的工作原理的图；
图5是旋转电动机的立体图；
图6是旋转电动机的剖面图；
图7是拆下了壳体的状态的旋转电动机的立体图；
图8是表示花键螺母的立体图(包含一部分剖面)；
图9是第一筒状部件的立体图；
图10是第二筒状部件的立体图；
图11是旋转电动机的永久磁铁及线圈的侧视图；
图12是本发明第二实施方式的直线-旋转复合致动器的旋转电动机的立体图；
图13是图12的旋转电动机的剖面图；
图14是图13的XVI部放大图；
图15是轴承固定部的详细图；
图16是嵌合部的立体图；
图17是表示拧入两个花键螺母而组装于花键轴的状态的立体图；
图18是本发明一实施方式的直线-旋转复合致动器系统的系统结构图；
图19是旋转电动机的控制系统的块图；
图20是表示磁传感器和转子的位置关系的图；
图21是表示磁传感器的原理的立体图；
图22是表示磁场的方向的角度θ和磁传感器的电阻值的关系的图表；
图23是表示在转子上产生的磁场和磁传感器的位置关系的图；
图24是表示磁传感器检测的磁向量的方向和输出电压的关系的图表；
图25是表示二组全桥结构的磁传感器的图(图中(A)是表示磁传感器的强磁性薄膜金属的形状的俯视图、图中(B)为等效电路图)；
图26是表示从磁传感器输出的正弦波状信号及余弦波状信号的图表；
图27是表示转子和磁传感器的位置关系及磁传感器的输出信号的概念图；
图28是表示通过正弦波及余弦波描绘的李萨如图形的图；
图29是位置检测电路的结构图；
图30是查表存储器的存储器结构图。
具体实施方式
基于附图对本发明第一实施方式的直线-旋转复合致动器进行详细说明。图1是表示直线-旋转复合致动器的立体图。该直线-旋转复合致动器为可进行直线驱动和旋转驱动的复合致动器，将线性电动机1和旋转电动机2在轴线方向上结合。在直线-旋转复合致动器的壳体1a、2a上沿轴线方向可直线运动且可绕轴线旋转地支承轴部件3。轴部件3为将作为线性电动机1的动子轴的杆5和花键轴4在轴线方向上连接而成的。线性电动机1使轴部件3做直线运动，旋转电动机2使轴部件3做旋转运动。轴部件3的长度方向的一端部3a从壳体露出。在该轴部件3的一端部3a安装吸附盘、工具等移动体。直线-旋转复合致动器可以仅通过一轴使用，为提高作业效率，也可以在将多轴、即多个直线-旋转复合致动器以轴部件3平行的方式组合的状态下使用。
图2是表示线性电动机1的立体图(包含一部分剖面)。如图2所示，线性电动机1为具备下述部件的线性同步电动机1，即，具备：以在轴线方向交替形成N极及S极的方式排列多个永久磁铁6的作为动子轴的杆5、包围杆5且在杆5的轴线方向上层叠的作为定子的多个线圈12、收容多个线圈12的壳体1a。线圈12为三个，为由U、V、W相构成的一组三相线圈12。通过在永久磁铁6产生的磁场和流过三相线圈12的三相交流电流产生用于使杆5进行直线运动的推力。
线性电动机1的杆5在杆5的轴线方向上可移动地支承于壳体1a。线圈单元被线圈保持架7保持。线圈单元及线圈保持架7被收容于壳体1a内。杆5例如由不锈钢等非磁性材料构成，具有中空空间。在杆5的中空空间内，以圆柱状的多个永久磁铁6彼此同极对置的方式，即以N极和N极与S极和S极对置的方式层叠。在永久磁铁6之间夹设有例如由铁等磁性体构成的极靴9。
线圈12为将铜线卷绕成环状而成的线圈，被线圈保持架7保持。图3表示线圈12及保持线圈12的线圈保持架7的详细图。线圈保持架7为树脂的射出成形件，由沿线圈12的排列方向细长地延伸的板状的保持架主体部7a和从保持架主体部7a垂下的薄壁的多个衬垫部7b构成。由于需要将邻接的线圈12彼此绝缘，所以在线圈12间夹设树脂制的衬垫部7b作为绝缘材料。衬垫部7b与线圈12的正面形状相同地形成为圆环形状。在保持架主体部7a的上表面安装印制电路板8。在保持架主体部7a的侧面设置进行射出成形时用于将线圈保持架7固定于模具上的突起7c(参照图3)。通过射出成形时的压力，防止线圈保持架7错位。为将引线12a导入印制电路板8的通孔(图3中表示在通孔焊接了线圈12的引线12a的状态)，在保持架主体部7a上，在与印制电路板8的通孔相同的位置开设多个配线用孔。
该实施方式中，将线圈12及线圈保持架7置于射出成形的模具中，通过使溶融的树脂或特殊陶瓷流入模具内的镶嵌成形，形成壳体1a。将成形件从模具取出后，成为线圈12的周围被壳体1a覆盖的状态。通过利用镶嵌成形形成壳体1a，具有可减薄壳体1a的壁厚的优点。在壳体1a上，作为用于将线性电动机1安装于例如芯片底架的头上的安装部而后续加工螺纹孔1b(参照图2)。另外，在壳体1a上开设有插入用于壳体1a对头进行定位的销的定位孔1c。由于需要确保与线圈12的绝缘，所以壳体1a的材料使用绝缘性高的树脂。在壳体1a上为提高散热性而形成散热片1d。
杆5为在线性电动机1动作中在线圈12内浮起的状态。为了引导杆5的直线运动及旋转运动，在杆5的轴线方向的壳体1a的两端部设置作为滑动轴承的树脂制的套筒10。套筒10和杆5之间的空隙被设定为比线圈12和杆5之间的空隙小。套筒10具有防止线圈12和杆5接触的作用。套筒10被安装于在壳体1a的两端一体成形的边缘部件11上。通过使用线性同步电动机作为线性电动机，容易进行线圈12和杆5之间的空隙的管理。因此，也不需要将直动轴承和旋转轴承组合，可通过套筒10引导杆5的直线运动及旋转运动。通过设置一对套筒10，即使在行程长的情况下，也能够消除永久磁铁6的吸引导致的杆5的挠曲。另外，在该实施方式中，在壳体1a的两端部设有套筒10，但由于在接近移动体的一侧配置花键螺母14，所以也可以省略接近旋转电动机2的一侧的套筒10。
图4是表示线性电动机1的工作原理的概念图。在杆5的周围层叠包围杆5的多个线圈12。线圈12为三个由U、V、W相构成的一组三相线圈。将三相线圈12组合多个而构成线圈单元。当在三相线圈12中流过每隔120°相位不同的三相交流电流时，产生在线圈12的轴线方向上移动的移动磁场。杆5通过移动磁场得到推力，以与移动磁场的速度相同的速度相对于线圈12进行直线运动。
图5是表示旋转电动机2的立体图。在旋转电动机2的壳体2a可旋转地收纳花键轴4。花键轴4的端部以使彼此的轴线相一致的状态与杆5的端部结合。花键轴4通过杆5被在轴线方向上驱动，通过旋转电动机2被旋转驱动。
图6是表示旋转电动机2的剖面图，图7是表示从壳体2a取出的旋转电动机2的立体图。旋转电动机2的壳体2a与线性电动机1的壳体1a结合。如图6所示，在壳体2a内可旋转且可直线运动地收容花键轴4。在花键轴4的一端部4a(图6中左侧)与线性电动机1的杆5连接，在另一端部4b(图6中右侧)安装移动体。花键轴4可以通过螺丝等接合装置与杆5接合，也可以与杆5形成一体。在花键轴4的外周面形成沿轴线方向延伸的滚珠滚道槽，在花键轴4上组装引导花键轴4进行直线运动的花键螺母14(参照图8)。花键螺母14被收容于筒状的转子16内，与转子16一同旋转。在壳体2a上安装形成收容转子16的空间的定子35。在转子16的轴线方向的两端部和壳体2a之间安装引导转子16绕轴线进行旋转的一对轴承31。
转子16包括：通过旋转电动机2的定子35驱动旋转的主体部16c、与主体部连结且收容花键螺母14的轴线方向的一端部的花键螺母一端部收容部16b、收容花键螺母14的移动体侧的轴线方向的另一端部的花键螺母另一端部收容部16a。在本实施方式中，主体部16c和花键螺母一端部收容部16b为一体。花键螺母另一端部收容部16a防止花键螺母14从花键螺母一端部收容部16b脱落。在花键螺母另一端部收容部16a和花键螺母一端部收容部16b之间，在轴线方向上空出空隙。在转子16的主体部16c的外周面，以N极及S极的磁极沿周向交替形成的方式粘贴多个永久磁铁22。
安装于壳体2a的旋转电动机2的定子35由与永久磁铁22对置的三相线圈21和筒状的磁轭21构成。当在三相线圈21中流过三相交流电流时，转子16旋转。转子16旋转时，花键螺母14与转子16一同旋转。花键螺母14旋转时，组装于花键螺母14的花键轴4旋转。
旋转电动机2的壳体2a通过将收容花键螺母14的螺母壳体2a1和收容旋转电动机2的电动机壳体2a2在轴线方向上结合而成。螺母壳体2a1形成为圆筒形状，在轴线方向的两端部具有凸缘23。在螺母壳体2a1的中央的小径部收容花键螺母14。另一方面，电动机壳体2a2形成为中空的筒形状。在电动机壳体2a2的内侧固定旋转电动机2的定子35。
图8表示与花键轴4卡合的花键螺母14。在花键轴4的外周面形成作为沿长度方向延伸的滚动体滚道部的多个滚珠滚道槽4a。在花键螺母14的内周面形成与花键轴4的多条滚珠滚道槽4a对置的多条负荷滚珠滚道槽14c。花键轴4由中实或中空圆棒构成。花键轴4的外周面的滚珠滚道槽4a的剖面形状形成为比滚珠25的曲率大若干的圆弧槽形状。花键轴4的材质优选使用轴承钢、碳素工具钢等适合淬火的材质。
通过在花键轴4的外周面形成滚珠滚道槽4a，例如即使在花键轴4的前端的工具作用与花键轴4的轴线正交的方向的载荷、或作用绕轴线的力矩载荷的情况下，也能够承受这些载荷。另外，可将对花键螺母14作用的转矩向花键轴4传递。另外，可提高花键轴4的导向精度，能够对移动体正确地进行定位。
夹设于花键螺母14和花键轴4之间的滚珠25与通常的轴承使用的滚动体相同为钢制。花键螺母14形成为中空的筒体。在花键螺母14的内径形成沿轴线方向延伸的负荷滚珠滚道槽14c。花键螺母14的材质优选使用轴承钢、炭素工具钢等适合淬火的材质。在花键螺母14中装入保持器26。在保持器26上形成多个滚珠循环路径27作为与花键螺母14的负荷滚珠滚道槽14c的条数吻合的条数的滚动体循环路径。滚珠循环路径27通过沿着花键螺母14的负荷滚珠滚道槽14c的负荷滚珠滚道27a、与负荷滚珠滚道27a平行延伸的滚珠返回通路27b、将负荷滚珠滚道27a的一端和滚珠返回通路27b的一端连接的圆弧形状的方向转换路27c构成为环形状。滚珠25边与花键螺母14的负荷滚珠滚道槽14c及花键轴4的滚珠滚道槽4a接触边进行滚动运动，在滚珠循环路径27循环。保持器26可循环地保持在滚珠循环路径27排列、收容的滚珠列，在将花键螺母14从花键轴4卸下时，防止滚珠25脱落。该保持器26通过挡圈29固定于花键螺母14的规定位置。
图9是表示花键螺母另一端部收容部16a的立体图。花键螺母另一端部收容部16a具有直径不同的大径部16a1及小径部16a2。在花键螺母另一端部收容部16a的大径部16a1的内侧收容花键螺母14的轴线方向的另一端部14a。花键螺母另一端部收容部16a和花键螺母14通过紧固或粘合形成为一体。在花键螺母另一端部收容部16a的小径部16a2的外侧嵌入有轴承31(参照图7)。如图6所示，轴承31具备外圈31a、内圈31b及可滚动运动地夹设于它们之间的滚珠31c。该轴承31可旋转地支承花键螺母另一端部收容部16a。轴承31例如使用深沟球轴承。轴承31在嵌入螺母壳体2a1的凸缘23后，通过盖部件34固定于螺母壳体2a1上。代替盖部件34也可以通过挡圈将轴承31固定于螺母壳体2a1上。
图10是表示转子16的主体部16c及花键螺母一端部收容部16b的立体图。主体部16c形成为比花键螺母一端部收容部16b小径。在花键螺母一端部收容部16b的内侧收容花键螺母14的轴线方向的一端部14b(参照图6)。花键螺母一端部收容部16b和花键螺母14通过紧固或粘合形成为一体。如图7所示，在主体部16c的外周面沿周向粘贴多个永久磁铁22。沿周向排列的多个线圈21与该永久磁铁22对置。在主体部16c的轴线方向的另一端部嵌入轴承31。轴承31为与支承花键螺母另一端部收容部16a的轴承31相同的结构。如图6所示，轴承31在嵌入电动机壳体2a2的一端部后，通过盖部件33固定于电动机壳体2a2上。代替盖部件33也可以通过挡圈固定轴承。
图11表示旋转电动机2的多个永久磁铁22及与多个永久磁铁22对置的多个线圈21。旋转电动机2为多个线圈21与多个永久磁铁22对置的旋转同步电动机。通过使用旋转同步电动机，相比使用需要梳齿的步进电动机的情况，可以减小半径方向的尺寸，另外空隙的管理也变得容易。各永久磁铁22形成为细长的板状。各永久磁铁22在半径方向上着磁，即外周面侧在N极及S极的一方着磁，内周面侧在N极及S极的另一方着磁。多个永久磁铁22在周向上以N极及S极交替形成的方式排列。圆筒状排列的永久磁铁22被由铁等磁性材料料构成的筒状的磁轭32包围。在磁轭32上形成向半径方向的内侧突出的磁芯32a(参照图7)。磁芯32a沿磁轭32的轴线方向细长地延伸。在磁芯32a上卷绕线圈21。线圈21为将铜线卷绕成环状而成的线圈，且形成为长方形的框状。线圈21为由3个一组的U、V、W相构成的三相线圈21。该实施方式中，线圈21的个数为六个，构成二组三相线圈21。当三相线圈21中流过三相交流电流时，在圆筒状排列的永久磁铁22的周向上产生旋转磁场。安装永久磁铁22的转子16通过旋转磁场而得到转矩，绕其轴线进行旋转。
转子16上排列的多个永久磁铁22为产生用于使转子16旋转的转矩的驱动用的永久磁铁22。如图11所示，测定转子16的旋转角度的磁传感器51检测驱动用的永久磁铁22的轴线方向的端部产生的磁场。对于磁传感器51的特性后述。安装于基板的磁传感器51在收纳于箱形状的收纳容器42后，其周围由填充剂埋没。如图5所示，收纳容器42通过螺纹紧固而固定于壳体2a上。磁传感器51具有温度特性，根据温度变化而输出发生变化。为降低从线圈21产生的热的影响，收纳容器42及填充剂使用热传导率比壳体2a低的材料。例如，壳体使用环氧系的树脂，收纳容器42及填充剂使用聚苯硫醚(PPS)。
如图1所示，根据本实施方式，构成直线-旋转复合致动器的构成部件从接近移动体侧按顺序为转矩传递用的花键螺母14、旋转脉冲电动机2、线性同步电动机1。由于在最接近移动体的位置配置花键螺母14，所以可以负荷对移动体作用的载荷及力矩，可以对移动体正确地定位。另外，通过由接近移动体的位置的轴承31(参照图6)支承花键螺母14的旋转运动，能够更可靠地从移动体承受对花键轴4作用的载荷及力矩。在花键螺母14附近配置旋转电动机2，在旋转电动机2的附近配置线性电动机1，因此，使与花键螺母14成一体的转子16旋转，可使通过花键螺母14引导的花键轴4沿轴线方向移动。
花键螺母14配置于花键螺母另一端部收容部16a的大径部16a1的内侧，轴承配置于花键螺母另一端部收容部16a的小径部16a2的外侧，因此，花键螺母14及轴承31不会在半径方向上层叠。另外，由于花键螺母14配置于花键螺母一端部收容部16b的内侧，旋转电动机2配置于主体部16c的外侧，因此，花键螺母14及旋转电动机2也不在半径方向上层叠。因此，可以使直线-旋转复合致动器的半径方向的尺寸紧凑。
另外，仅在组合了旋转电动机2及花键螺母14的部分的两端部配置一对轴承31，通过将转子16等分为主体部16c及花键螺母一端部收容部16b侧和花键螺母另一端部收容部16a侧，可以容易地进行旋转电动机2的组装。
图12是表示本发明第二实施方式的直线-旋转复合致动器的旋转电动机的立体图。与第一实施方式的直线-旋转复合致动器的旋转电动机相同，在壳体81可旋转运动且可直线运动地收容花键轴82。花键轴82的两端部从壳体81突出。花键轴82的一端部82a与线性电动机1的杆5连接，花键轴82的另一端部82b与移动体连接。壳体81被等分为收容花键螺母的螺母壳体83、收容旋转电动机的定子的电动机壳体84。在螺母壳体83的四角形的凸缘83a的角部通过螺丝将螺母壳体83固定于电动机壳体84上时，以可使驱动器和扳手朝向螺丝笔直地(图中虚线方向)进入的方式形成圆弧形状避让部83b。
在从旋转电动机80单体观察的情况下，花键轴82成为旋转电动机80的旋转轴。花键轴80可以在轴线方向上移动自如，花键轴80的直线运动通过花键螺母引导。
图13是表示旋转电动机80的剖面图。该实施方式的旋转电动机中，在移动体侧(图13中左侧)的花键螺母86的基础上，追加第二花键螺母87。第二花键螺母87被配置于相比旋转电动机的定子更靠线性电动机侧(图13中右侧)。花键螺母86及第二花键螺母87被收容于中空的转子88内，与转子88一同旋转。在花键螺母86及第二花键螺母87可直线运动地组装有花键轴82。在花键轴4的外周面，与第一实施方式的花键轴相同地形成向轴线方向伸出的滚珠滚道槽。转子88的旋转经由花键螺母86及第二花键螺母87向花键轴82传递。
在壳体81上安装旋转电动机的定子92。在转子88的轴线方向的两端部和壳体之间配置一对轴承93，转子88的旋转运动由一对轴承93导向。转子88由通过旋转电动机的定子92驱动旋转的主体部89、收容花键螺母86的花键螺母收容部91、收容第二花键螺母87的第二花键螺母收容部90构成。在主体部89的外周面，与第一实施方式的主体部相同，沿周向粘贴多个永久磁铁89a。在壳体81上安装检测主体部89的旋转角度的磁传感器94。花键螺母收容部91及第二花键螺母收容部90与主体部89的轴线方向的两端部连结。
图14是表示主体部89和花键螺母收容部91(及第二花键螺母87)的嵌合构造的详细图。在花键螺母收容部91形成组合了半径不同的两个半圆的异形的孔91a，在主体部89形成与孔91a的大径的半圆嵌合的半圆状的突起89b。由于主体部89的突起与花键螺母收容部91的孔91a如齿轮那样啮合，所以可以将主体部89的旋转传递给花键螺母收容部91。另外，在主体部89和花键螺母收容部91之间具有游隙，使得从主体部89向花键螺母收容部91传递旋转的同时，花键螺母收容部91相对于主体部89沿轴线方向移动。当然，对于主体部89和花键螺母收容部91的嵌合构造，只要可以将主体部89的旋转向花键螺母收容部91传递且在主体部89和花键螺母收容部91之间具有轴线方向的游隙，则不限于上述的异形的孔91a和半圆形的突起89b。主体部89和第二花键螺母收容部90也为同一嵌合的构造。
如图13所示，花键螺母收容部91与主体部89连结，被等分为收容花键螺母86的轴线方向的一端部的花键螺母一端部收容部91b、收容花键螺母86的轴线方向的另一端部的花键螺母另一端部收容部91a。第二花键螺母收容部90也与主体部89连结，被等分为收容第二花键螺母87的轴线方向的一端部的第二花键螺母一端部收容部90b、收容第二花键螺母87的轴线方向的另一端部的第二花键螺母另一端部收容部90a。花键螺母收容部91及第二花键螺母收容部90具有袋状的大径部，在该大径部收容花键螺母86及第二花键螺母87。在花键螺母收容部91及第二花键螺母收容部90的小径部的外周面配置一对轴承93。
在组装旋转电动机时，首先，在主体部89的周围粘贴多个永久磁铁89a。其次，将花键螺母86由二等分的花键螺母收容部91覆盖，将第二花键螺母87由第二花键螺母收容部90覆盖。其次，在主体部89的两端部连结花键螺母收容部91及第二花键螺母收容部90。其次，在花键螺母收容部91及第二花键螺母收容部90的外侧嵌入一对轴承93。这样，在组装转子88的状态下将转子88插入壳体81内。之后，通过在壳体81的两端部安装盖95、96，完成组装。
在组装旋转电动机80时，轴承93也从壳体81侧进行定位，且也从转子88侧进行定位。当转子88及壳体81产生尺寸误差时，尺寸误差在轴承93上集中，因此，会对轴承93的滚珠作用压溃力，阻碍轴承93的圆滑的旋转。根据本实施方式，通过将转子88的主体部89和花键螺母收容部91(及第二花键螺母收容部90)设为上述的嵌合构造，可以在转子88侧吸收尺寸误差，可以与壳体81相一致地正确地定位一对轴承93。另外，在包含线圈的旋转电动机的定子92发热时，壳体81侧相比转子88侧成为高热。铝制的壳体81的热膨胀系数比钢制的转子88的线膨胀系数大，壳体81的热膨胀量比转子88的更大。通过设为上述的嵌合构造，也可以吸收该壳体81的热膨胀。
图15及图16表示轴承93的固定部的详细图。转子88与一对轴承93的内圈93b的内侧93b1抵接，壳体81与一对轴承93的外圈93a的外侧93a1抵接(由虚线圆表示抵接部位)。而且，一对轴承93被夹在转子88和壳体81之间。由此，在因旋转电动机的定子92的热而壳体81向轴线方向伸出时，壳体81的抵接部向远离转子88的接触部的方向移动，因此，可防止对轴承93作用将滚珠压溃的力。
根据本实施方式，由于夹着旋转电动机的定子92使用两个花键螺母86、87，所以相比使用一个花键螺母86的情况，可以进一步防止花键轴82的振动，可以进一步提高花键轴82的刚性。因此，即使在为使伺服电路的响应性良好而提高旋转电动机及线性电动机的增益的情况下，也能够防止花键轴82振动，可以实现响应性高的伺服电路。
图17表示进一步提高了花键轴82的刚性的例子。该例中，花键螺母86及第二花键螺母87以相对于花键轴82在相互相反方向拧入的状态下固定于转子88上。图中上侧的花键螺母86在相对于花键轴82给予顺时针方向的转矩的状态下固定于转子88上，下侧的第二花键螺母87在赋予逆时针方向的转矩的状态下固定于转子88上。由于被收容于花键螺母86及第二花键螺母87的滚珠彼此向相反方向被压缩，所以可以保持对滚珠赋予予压的状态，可以提高花键轴82的周向的刚性。
图18表示本发明一实施方式的直线-旋转复合致动器系统。该直线-旋转复合致动器系统由旋转电动机控制系统及线性电动机控制系统构成。旋转电动机控制系统由检测旋转电动机2的转子16的旋转角度的磁传感器51、对磁传感器51输出的信号进行内插处理的作为角度计算电路的内插器52、根据内插器52计算出的旋转角的信号控制旋转电动机2的旋转电动机用驱动器56构成。旋转电动机用驱动器56以转子16的旋转角度与指令值一致的方式控制旋转电动机2。磁传感器51和内插器52通过编码电缆58连接，旋转电动机2的线圈21和旋转电动机用驱动器56的电力转换器通过动力电缆59连接。内插器52及旋转电动机用驱动器56被收容于控制盘60。
线性电动机控制系统也相同，由检测线性电动机1的杆5的轴线方向的位置的磁传感器54、内插处理磁传感器54输出的信号的位置计算电路55、基于位置计算电路55计算出的位置信号控制线性电动机1的线性电动机用驱动器57构成。线性电动机用驱动器57以杆5的位置与指令值一致的方式控制线性电动机1。磁传感器54和位置计算电路55通过编码电缆61连接。线性电动机1的线圈12和线性电动机用驱动器57的电力转换器通过动力电缆62连接。位置计算电路55及线性电动机用驱动器57被收容于控制盘60。
角度测定装置由检测直线-旋转复合致动器的转子16的旋转角度的磁传感器51、对磁传感器51输出的信号进行内插处理的内插器52构成。磁传感器51检测转子16的磁场的方向，输出错位90度相位的正弦波状及余弦波状的电压信号。磁传感器51输出的电压信号被输出到内插器52。内插器52根据正弦波状及余弦波状的电压信号计算转子16的角度信息。测定线性电动机1的位置的位置测定装置与角度测定装置相同地输出杆5的位置信息。
图19是表示旋转电动机2的控制系统的块图。内插器52计算出的角度信息被输出到旋转电动机用驱动器56的控制器65。在旋转电动机用驱动器56中组装供给适合控制线性电动机1的形态的电力的PWM逆变器(PWM：Pulse Width Modulation脉宽调制器)等电力转换器64、及控制电力转换器64的控制器65。控制器65根据来自内插器52的信号及来自上位计算机等的指令器66的指令控制电力转换器64。具体而言，控制器65以转子16的旋转角度与指令值一致的方式控制电力转换器64。线性电动机用驱动器57的构成也与旋转电动机用驱动器相同。
旋转电动机2的转子16和花键轴4经由花键螺母14连结，因此，转子16的旋转角度和花键轴4的旋转角度相等。通过控制未在轴线方向上移动的旋转电动机2的转子16的旋转角度，控制在轴线方向上移动的花键轴4的旋转角度，因此，花键轴4的旋转角度的控制变得容易。另外，将本来用于产生推力的驱动用的永久磁铁22作为磁标尺使用，因此，可以实现廉价且小型的磁传感器51。
如图20所示，磁传感器51从旋转电动机2的永久磁铁22隔开规定的空隙配置，检测因永久磁铁22的旋转运动产生的永久磁铁22的磁场的方向(磁向量的方向)的变化。因为检测磁场的方向的变化，所以安装磁传感器51的基板位于与转子16的旋转中心正交的平面内。
如图21所示，磁传感器51具有Si或玻璃基板71、形成于其上的以Ni、Fe等强磁性金属为主成分的合金的强磁性薄膜金属构成的磁阻元件72。该磁传感器51由于电阻值在特定的磁场方向上变化，所以被称为AMR(Anisotropic-Magnetro-Resistance)传感器(各向异性磁阻元件)。
在磁阻元件72中流过电流，施加电阻变化量饱和的磁场强度，在其磁场(H)的方向相对于电流方向Y赋予角度变化θ。如图22所示，电阻变化量(ΔR)在电流方向和磁场方向为垂直(θ＝90°、270°)时为最大，在电流方向和磁场的方向为平行(θ＝0°、180°)时为最小。电阻值R根据电流方向和磁场方向的角度分量如下述(1)式那样发生变化。
R＝R0-ΔRsin2θ…(1)
R0：无磁场中的强磁性薄膜金属的电阻值
ΔR：电阻变化量
θ：表示磁场方向的角度
如果为饱和灵敏度区域以上，则ΔR为常数，电阻值R对磁场的强度没有影响。
对转子16进行直线运动时的磁场方向的变化和磁传感器51的输出进行说明。如图23所示，以在施加饱和灵敏度区域以上的磁场强度的间隙l的位置且磁场的方向变化靠近传感器面的方式配置磁传感器51。图23表示将圆周上排列的永久磁铁22在水平方向展开的状态。如图24所示，在转子16直线移动距離λ时，在传感器面，磁场的方向转一圈。此时，电压信号为1周期的正弦波。为明了运动的方向，如图25所示，只要将二组全桥构成的元件以彼此倾斜45°的方式形成于一个基板上即可。通过二组全桥电路得到的输出VoutA和VoutB如图26所示，成为彼此具有90°相位差的余弦波及正弦波。
根据本实施方式，由于磁传感器51检测转子16的磁场的方向变化，所以例如图27所示，即使磁传感器51的安装位置从(1)错开为(2)，磁传感器51输出的正弦波及余弦波的变化也少。如图28所示，通过正弦波及余弦波描绘的李萨如图形也是圆的大小不易变化。因此，能够正确地检测磁向量74的方向θ。即使不能高精度地管理转子16和磁传感器51之间的间隙l，由于能够检测转子16的正确位置，所以磁传感器51的安装调节也变得容易。
图29是表示内插器52的结构图。磁传感器51输出的正弦波状信号及余弦波状信号被取入内插器52。内插器52对相差90°相位的正弦波状信号及余弦波状信号施加数字的内插处理，输出高分解能的相位角数据。转子16的磁极间的间距例如为数十mm级，远远大于磁式的编码器的数百μm级。在将转子16作为磁标尺使用时，需要将磁传感器51输出的正弦波状信号及余弦波状信号细分化，提高分解能。磁传感器51输出的正弦波状信号及余弦波状信号的变化对提高分解能的位置计算电路带来大的影响。因此，期望磁传感器51输出的正弦波状信号及余弦波状信号的变化小。
相差90°相位的正弦波状信号及余弦波状信号被分别输入A/D转换器73、74。A/D转换器73、74将正弦波状信号及余弦波状信号分别按规定的周期对数字数据DA、DB采样。
如图30所示，在查表存储器76中预先记录有基于使用反正切函数(TAN-1)的下式生成的查表数据。
u＝TAN-1(DB/DA)…(2)
图30表示使8位×8位的地址空间具有1个周期1000份的相位角数据的情况的查表存储器的存储器构成。
相位角数据计算装置即信号处理部75将数字数据DA、DB分别作为x、y地址检索查表数据，得到与x、y地址相对应的相位角数据u。由此，可以在1波长(0～2π的区间)内进行分割、内插。另外，代替使用查表存储器，也可以进行u＝TAN-1(DB/DA)的运算，计算相位角数据u，由此在1波长(0～2π的区间)内进行分割、内插。
其次，信号处理部75由相位角数据u生成A相编码器脉冲信号及B相编码器脉冲信号，在1周期生成1度的Z相脉冲信号。信号处理部75输出的A相脉冲信号、B相脉冲信号、Z相脉冲信号被输出向旋转电动机2的旋转电动机用驱动器56。
另外，本发明不限于上述实施方式，在不变更本发明宗旨的范围内具体化为各种实施方式。例如本实施方式的直线-旋转复合致动器不限于芯片底架，可以作为各种机器人的直线-旋转复合致动器使用。另外，在直线-旋转复合致动器系统的发明中，代替线性同步电动机也可以使用线性步进电动机。
本说明书基于2008年9月30日申请的日本特愿2008-255073。该内容全部包含于其中。
符号说明
1…线性电动机、2…旋转电动机、2a、81…壳体、3a…轴部件的一端部、3…轴部件、4、82…花键轴、4a…滚珠滚道槽(滚动体滚道部)、5…杆、6…永久磁铁、10…套筒(滑动轴承)、12…线圈(线性电动机的定子)、14、86…花键螺母、14a…花键螺母的另一端部、14b…花键螺母的一端部、16、88…转子、16a…花键螺母另一端部收容部、16b…花键螺母一端部收容部、16a1…大径部、16a2…小径部、16b1…大径部、16b2…小径部、16c、89…主体部、21…线圈、22、89a…永久磁铁、25…滚珠(滚动体)、27…滚珠循环路径(滚动体循环路径)、31、93…轴承、32…磁轭、35、92…旋转电动机的定子、51…磁传感器(角度测定装置)、52…内插器(角度测定装置、角度计算电路)、56…旋转电动机用驱动器、87…第二花键螺母、90…第二花键螺母收容部、90a…第二花键螺母另一端部收容部、90b…第二花键螺母一端部收容部、91…花键螺母收容部、91a…花键螺母另一端部收容部、91b…花键螺母一端部收容部。

Claims (8)

1.一种直线-旋转复合致动器，其特征在于，具备：
花键轴，其具有沿轴线方向延伸的滚动体滚道部；
中空的转子，其包围所述花键轴；
旋转电动机的定子，其形成收容所述转子的空间，并且使所述转子绕轴线旋转；
花键螺母，其与所述转子一同旋转，将所述转子的旋转传递给所述花键轴，并且允许所述花键轴在轴线方向上进行直线运动；
线性电动机的动子轴，其与所述花键轴连接；
线性电动机的定子，其使所述线性电动机的动子轴在轴线方向上进行直线运动，
所述花键螺母具有：包括与所述花键轴的所述滚动体滚道部对置的负荷滚动体滚道部的滚动体循环路径、在该滚动体循环路径上排列的多个滚动体，
其中，从所述花键轴及所述动子轴的一端部沿轴线方向依次配置所述花键螺母、所述旋转电动机的定子、所述线性电动机的定子，
所述转子具有：通过所述旋转电动机的所述定子驱动旋转的主体部、与所述主体部连结且收容所述花键螺母的轴线方向的一端部的花键螺母一端部收容部、收容所述花键螺母的轴线方向的另一端部的花键螺母另一端部收容部，
所述转子的主体部形成为比所述花键螺母一端部收容部小径，在所述主体部的外周面粘贴有多个永久磁铁，
在所述花键螺母另一端部收容部具有直径不同的大径部及小径部，在所述小径部的外侧配置有可旋转地支承花键螺母另一端部收容部的轴承，
所述花键螺母及所述轴承不在半径方向上层叠，
所述花键螺母及所述旋转电动机不在半径方向上层叠。
2.如权利要求1所述的直线-旋转复合致动器，其特征在于，
所述直线-旋转复合致动器还具备第二花键螺母，
所述第二花键螺母在所述旋转电动机的定子和所述线性电动机的定子之间与所述转子一同旋转，将所述转子的旋转传递给所述花键轴，并且允许所述花键轴在轴线方向上进行直线运动，
所述第二花键螺母具有：包含与所述花键轴的所述滚动体滚道部对置的负荷滚动体滚道部的滚动体循环路径、在该滚动体循环路径排列的多个滚动体。
3.如权利要求2所述的直线-旋转复合致动器，其特征在于，
所述直线-旋转复合致动器还具备：
安装所述旋转电动机的定子的壳体、
设于所述转子的轴线方向两端部和所述壳体之间且引导所述转子绕轴线旋转的一对轴承，
所述转子具有：通过所述旋转电动机的定子驱动旋转的主体部、与所述主体部的一端部连结且收容所述花键螺母的花键螺母收容部、与所述主体部的另一端部连结且收容所述第二花键螺母的第二花键螺母收容部，
所述主体部与所述花键螺母收容部及所述第二花键螺母收容部以如下方式嵌合，即，能够将所述主体部的旋转传递给所述花键螺母收容部及所述第二花键螺母收容部，且具有使所述花键螺母收容部及所述第二花键螺母收容部相对于所述主体部能够在轴线方向上移动的游隙。
4.如权利要求3所述的直线-旋转复合致动器，其特征在于，
所述转子与所述一对轴承内圈的轴线方向的内侧抵接，
所述壳体与所述一对轴承外圈的轴线方向的外侧抵接，
所述一对轴承分别在轴线方向上被夹在所述转子和所述壳体之间。
5.如权利要求2所述的直线-旋转复合致动器，其特征在于，
所述花键螺母及所述第二花键螺母以相对于所述花键轴在相互相反方向拧入的状态下收容于所述转子内。
6.一种直线-旋转复合致动器系统，其特征在于，具备：
轴部件，其能够在轴线方向上进行直线运动，且能够绕轴线进行旋转运动；
中空的转子，其包围所述轴部件；
旋转电动机的定子，其形成收容所述转子的空间，并且使所述转子绕轴线旋转；
两个花键螺母，其与所述转子一同旋转，将所述旋转电动机的转子的旋转传递给所述轴部件，并且允许所述轴部件进行直线运动；
线性电动机，其使所述轴部件在所述轴线方向上移动；
角度测定装置，其测定所述转子的旋转角度；
旋转电动机用驱动器，其控制所述旋转电动机，使所述角度测定装置测定的所述旋转电动机的转子的旋转角度与指令值一致，
各所述花键螺母具有：包括与所述轴部件的花键轴的滚动体滚道部对置的负荷滚动体滚道部的滚动体循环路径、在该滚动体循环路径上排列的多个滚动体，
通过控制所述旋转电动机的转子的旋转角度，控制所述轴部件的旋转角度。
7.如权利要求6所述的直线-旋转复合致动器系统，其特征在于，
所述旋转电动机为旋转同步电动机，其包括：以沿周向形成N极及S极的磁极的方式具有多个永久磁铁的所述旋转电动机的转子、与所述多个永久磁铁对置的作为所述旋转电动机的定子的多个线圈，
所述角度测定装置检测使所述旋转电动机的转子产生转矩的驱动用的所述多个永久磁铁的磁场。
8.如权利要求6所述的直线-旋转复合致动器系统，其特征在于，
所述角度测定装置具有：
磁传感器，其具有电阻值因磁场的方向而发生变化的磁阻元件，且伴随因所述旋转电动机的转子的旋转运动产生的所述多个永久磁铁的磁场的方向变化而输出具有90°相位差的正弦波状信号及余弦波状信号；
角度计算电路，其根据所述正弦波状信号及所述余弦波状信号计算所述旋转电动机的所述转子相对于所述定子的旋转角度。
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