CN1240990C - 线性执行机构 - Google Patents

Abstract

一种紧凑的和简单的线性执行机构包括通过螺钉固定在一主体上并能沿轴向方向移动的心轴，用来检测心轴的移动位移量的位移检测装置；设置在心轴的一端部侧并与心轴同轴的电动机；以及将电动机的旋转力传送给心轴的传送机构；其中，传送机构包括配合安装在心轴的一端部侧的、与心轴一起转动的第一转动件，配合安装在电动机的转子上的第二转动件，以及将第二转动件的转动传送给第一转动件的连接杆，连接杆布置成与心轴的轴线平行、但在与心轴的轴线不同的轴线上，且与第一转动件和第二转动件中的一个连接，而与第一转动件和第二转动件中的另一个以可沿连接杆轴向方向滑动的方式啮合。

Description

线性执行机构

技术领域

本发明涉及一种线性执行机构。本发明特别涉及通过驱动源、诸如电动机移动一心轴并精确地测定一工件位置的线性执行机构。

背景技术

在光学工业和与包括光学纤维在内的光学工业有关的工业中的自动对准装置使用精细定位装置，以便精确地测定一工件的位置。某些精密定位装置通过一驱动源、如现有技术中已知的电动机移动一主动件。

日本实用新型公开第37708/1987号和美国专利第4,496,865号公开了精密定位装置，它们通过驱动源、诸如电动机移动心轴。

前者(日本实用新型公开第37708/1987号)所述的线性执行机构是测微头。该测微头包括一设置在主体里的并具有环绕着其内周的内螺纹的圆柱形心轴，一由主体可转动地支承并具有与心轴的内螺纹啮合的外螺纹的驱动轴，一具有与心轴并列的转子的电动机，以及一将电动机转子的转动传送给驱动轴的齿轮组。

在这种结构里，当电动机被驱动而转动时，齿轮组将转子的转动传送给驱动轴，而驱动轴的转动使心轴沿轴向方向移动。

后者(美国专利第4,496,865号)所述的线性执行机构包括一主体，一通过螺钉与主体啮合并被布置成从主体的一端部侧可沿轴向方向移动的心轴，以及一安装在心轴的另一端并具有固定在其上、从而可一起转动的转子的电动机。在主体内侧形成有沿轴向方向的一凹槽，而电动机具有与该凹槽啮合的突起。由于凹槽与突起之间的啮合，电动机可沿心轴的轴向方向移动，而它的转动被约束。

当电动机的转子在上述结构里旋转时，心轴转动，并由于与主体啮合而沿轴向方向移动。

然而，上述现有技术中的结构存在下列问题。

在前者的结构中，心轴和电动机是并列的。因此，为了将电动机转子的转动传送给心轴，必须设置齿轮机构，从而必须有大的空间以容纳在相对于心轴的垂直方向上的电动机和齿轮组。因此，线性执行机构的尺寸不可避免地变大。

在后者的结构中，心轴和电动机的转子直接连接。因此，为了限制电动机的转动，必须通过凹槽和突起之间的啮合使主体与电动机啮合。由于电动机也与心轴一起移动，必须在电动机的移动范围内保证容纳电动机的电缆的空间。这种结构也导致线性执行机构的大尺寸。由于电缆随电动机的移动而延伸和收缩，因此它们可能被损坏。

此外，由于除了使心轴转动的力还必须有使电动机本身移动的力，因此必须增加电动机的输出。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种线性执行机构，它能够解决现有技术中的问题，还可通过简化结构实现执行机构的小型化。

本发明提供一种线性执行机构，它包括通过螺钉固定在一主体上并能沿轴向方向移动的主动件；用来检测主动件沿轴向方向的移动位移量的位移检测装置；设置在主动件的一端部侧并与主动件同轴的转动驱动装置；以及将转动驱动装置的旋转力传送给主动件的传送机构；其中，传送机构包括配合安装在主动件的一端部侧的、与主动件一起转动的第一转动件，配合安装在转动驱动装置的转动轴上的第二转动件，以及将第二转动件的转动传送给第一转动件的连接杆；以及连接杆布置成与主动件的轴线平行、但在与主动件的轴线不同的轴线上，且与第一转动件和第二转动件中的一个连接，而与第一转动件和第二转动件中的另一个以可沿连接杆轴向方向滑动的方式啮合。

按照上述结构，传送机构将转动驱动装置的旋转力传送给主动件，使主动件转动。主动件通过主体与主动件的啮合而沿轴线方向移动，而位移检测装置检测主动件沿轴线方向的位移量。因此，当转动驱动装置按照由位移检测装置检测到的主动件沿轴向方向的位移量而受到控制时，主动件的移动可受到高度精密的控制。

在传送装置里，转动驱动装置的旋转力通过转动轴使第二转动件旋转。接着，连接杆将第二转动件的转动传送给第一转动件，并使第一转动件转动。然后，当主动件和第一转动件一起转动时，主动件转动。由于主体和主动件之间的啮合，主动件沿轴向方向移动。

连接杆与主动件的轴线平行设置，并在与主动件的轴线不同的轴线上。因此，连接杆环绕着作为转动中心轴线的主动件和转动驱动装置的轴线转动。第二转动件的转动通过连接杆环绕着作为中心的主动件的轴线的转动而传送给第一转动件和主动件。

连接杆固定在第一转动件或第二转动件之一上，并与另一个以可沿轴向方向滑动的方式啮合。因此，即使第一和第二转动件之间的间隔改变，这种啮合状态依然通过连接杆的滑动而得以维持。因此，即使在第一和第二转动件之间的间隔改变时，转动仍然通过连接杆从第二转动件传送给第一转动件。换句话说，即使在只有主动件移动而转动驱动装置的位置照样保持时，转动也可从转动驱动装置传送给主动件。

结果，不需要形成凹槽和突起，而这在按照现有技术的线性执行机构(其中转动驱动装置随主动件移动)中是必须有的。而容纳具有与转动驱动装置的移动距离对应的距离的电缆的空间也不再需要了，由于延伸和收缩造成的电缆的破裂也可避免。

在按照现有技术的线性执行机构里，主体和转动驱动装置通过啮合装置互相连接，或主动件与转动驱动装置互相成一体。因此，它不可能或非常困难更换转动驱动装置。然而，在本发明里由于转动驱动装置仅仅与第二转动件配合安装，因此它可容易地按照需要的用途用各种转动驱动装置进行更换。

当第一转动件和其它零件(连接杆、第二转动件、转动驱动装置)与在线性执行机构里的主动件配合安装、以便手工转动主动件时，线性执行机构可容易地改变成使用转动驱动装置的线性执行机构。

按照本发明的线性执行机构具有一特征，即第一和第二转动件中的另一个具有通孔，连接杆以可沿轴向方向滑动的方式与该通孔啮合。

按照该结构，插入通孔的连接杆可沿轴向方向滑动。因此，即使第一和第二转动件之间的间隔发生变化，通过连接杆的滑动也可保持啮合状态。因此，即使它们之间的间隔发生变化，转动也可从第二转动件传送给第一转动件。

按照本发明的线性执行机构还具有另一特征，即一可随转动驱动装置的转动轴一起转动的旋钮安装在转动驱动装置上的与主动件相反的另一侧上。

按照该结构，当手工转动旋钮以便转动转动驱动装置的转动轴时，传送机构将该转动传送给主动件。因此，主动件可手工移动。由于主动件可手工移动而不必依靠转动驱动装置，当细调主动件的位置时可获得极好的工作特性。

按照本发明的线性执行机构还具有另外的特征，即它包括与主动件一起移动和转动的第三转动件，设置在与第三转动件的移动范围对应的主体侧表面一部分上的透明件，沿第三转动件移动方向形成的刻度，以及在第三转动件外周侧表面上形成的另一刻度。

按照该结构，当主动件沿轴向方向移动并转动时，第三转动件也一起移动并转动。由于透明件设置在对应于第三转动件移动范围的主体的侧表面上，第三转动件的移动可用眼通过透明件得到确认，而主动件的移动位移量也可通过设置在主体上的刻度读出。此外，主动件的转动量可从设置在第三转动件外周侧表面上的刻度读出。由于主动件的转动量通过螺钉的螺距被转换成移动位移量，因此主动件的精确位移除了主体上的刻度外可从第三转动件的刻度读出。

附图说明

图1是按照本发明第一实施例的一线性执行机构的侧视图；

图2是第一实施例的线性执行机构的剖视图；

图3是第一实施例的主要部分的立体图；

图4是第一实施例的立体图；

图5是按照本发明第二实施例的一第二转动件的立体图；

图6是图5所示的第二转动件的平面图；

图7是图5所示的第二转动件的侧视图；以及

图8是按照本发明第三实施例的一线性执行机构的侧视图。

具体实施方式

按照本发明第一实施例的一线性执行机构通过电动机驱动如图1所示的测微头的心轴2。如图2所示，线性执行机构包括主体1，作为主动件、通过螺钉固定在主体1上的、从而能沿轴向移动的心轴2，作为转动驱动装置、设置在心轴2的一端部上、与心轴2同轴的步进电动机3，设置在步进电动机3和心轴2之间的传动机构4，以及读取心轴2的移动位移量的位移检测装置5。主体1包括前框架11和后框架12，前框架11具有一通孔并覆盖心轴2的另一端部侧，而后框架12从外侧配合安装在前框架11的一端部上并向该端部侧敞口。

前框架11包括一圆筒形套筒111和一螺纹圆筒112，套筒111设置在另一端部侧的开口部分处，以便引导心轴2，而圆筒112通过进入开口部分的螺钉固定在一端部侧并在其内周上具有与心轴2啮合的内螺纹112A。

一具有增大直径的锥形112B设置在螺纹圆筒112的通孔内从一端部侧至另一端部侧的中间部分上，而内螺纹112A设置在具有大直径的一端部侧的内周上。

套筒111包括推入在前框架11另一端部侧的开口部分里的前套筒111A以及通过螺钉111C固定在前套筒111A上的后套筒111B。

一数字显示部分113设置在前框架11的侧表面上，还设置一输出电缆113A，以便从该数字显示部分113输出数据。

后框架12配合安装在螺纹圆筒112上且覆盖螺纹圆筒112的一端部侧，并通过与螺纹圆筒112啮合的定位螺钉121固定在螺纹圆筒112上。

在后框架12的侧表面上设置一透明件122，如图1所示，刻度123沿心轴2的轴向方向设置。

心轴2具有大于前框架11的长度。心轴2的一端部侧突入后框架12，而另一端部侧突入外侧。如上所述，套筒111引导从其中心至另一端部侧心轴2的一部分。

心轴2具有锥形21，锥形21的直径从其中心至另一端部侧逐渐增加。在沿轴向方向的一端部侧的、具有大直径的锥形的外周形成有外螺纹22。该外螺纹22与前框架11的螺纹圆筒112上的内螺纹112A啮合。

一具有预定长度的V形槽23沿轴向方向形成于心轴的中心部分。

步进电动机3具有在其两侧的、作为转动轴的转子31，并被布置成靠近后框架12的一端部侧的开口部分，且转子31具有与心轴2的相同的转动轴线。一与转子31一起转动的旋钮32安装在步进电动机3的一端部侧。步进电动机3还包括延伸出去的电缆33。

传动机构4设置在后框架12内的心轴2的一端部侧上。如图3所示，传动机构4包括与心轴2一起转动的一短的圆筒形第一转动件41，设置在步进电动机3的另一端部侧、与步进电动机3的转子31一起转动的第二转动件42，以及使第二转动件42与第一转动件41连接的连接杆43。

第一转动件41具有短的圆筒形状和在其中心的通孔。该通孔和心轴2的另一端部侧通过锥形412而互相配合。螺母24从心轴2的另一端部侧旋入，将心轴2和第一转动件41固定在一起。第一转动件41具有沿短圆筒形轴线在两位置处的两缺口(凹槽或缝槽)411，并安装一圆环44作为第三转动件覆盖外周。

在圆环44的外周上设置刻度441。在外周上还设置指示心轴2相对后框架12上的刻度123的基线442。上述的后框架12上的透明件122设置成与圆环44的移动范围一致。

这里，后框架12上的透明件122和刻度123与圆环44上的刻度441和基线442一起构成第一位移检测装置5A。

第二转动件42具有短的圆筒形状，而在步进电动机3另一端部处的转子31与第二转动件42的轴线配合固定。

设置两连接杆43，它们的长度大于第一和第二转动件41和42之间的间隔及心轴2沿轴向可移动的操作距离的总和。各连接杆43的一端部配合安装在第二转动件42里，而另一端部配合安装在第一转动件41的缺口411里。连接杆以与心轴的轴线平行但在与心轴2的轴线不同的轴线上安装。

位移检测装置5包括上述的第一位移检测装置5A和电力检测心轴2的转动并作为心轴2的移动位移量输出的第二位移检测装置5B。第二位移检测装置5B包括与心轴2的V形槽23啮合的螺钉53，通过螺钉53一起转动的转子52，以及用来读出转子52的转动的定子51。

定子51通过与定位螺钉54啮合而固定在螺纹圆筒112上，而转子52可转动地独立于定子51设置。

本实施例使用一利用静电容量改变的系统作为读取转子52通过定子51的转动量的系统，但这种系统不是特别限制性的。

通过定子51读取的转子52的转动量通过电缆511被输送至数字显示部分113，被转换成心轴2的移动位移量后显示出来。

为了使用该线性执行机构，首先驱动步进电动机3，这样心轴2可移动一预定量而与一测量目标匹配或与目标的设定位置匹配。

此时，心轴2的移动位移量显示在数字显示部分113上，并通过设置在后框架12上的透明件122可从在圆环44上的基线442的位置和从刻度123和441读出。

当步进电动机3在具有上述结构的线性执行结构被启动时，步进电动机3的转子31的转动使第二转动件42转动。然后，与第二转动件42和第一转动件41连接的连接杆43环绕着作为中心的心轴2的轴线转动，而该转动从第二转动件42传送给第一转动件41。接着，当心轴2和第一转动件41一起转动时，心轴2转动并通过螺纹圆筒112的内螺纹112A和心轴2外螺纹22之间的啮合而沿轴向方向移动。

当心轴2转动并沿轴向方向移动时，与心轴2的V形槽23啮合的螺钉53使转子52转动。由于V形槽23在此例子里有一预定长度，因此螺钉53与V形槽23之间的啮合得以维持，即使心轴2沿轴向方向移动。定子51读出转子52的转动，而数字显示部分113显示心轴2的移动位移量。

连接杆43固定在第二转动件42上，但以可沿轴向方向滑动的方式与第一转动件41啮合。因此，连接杆43的滑动保持连接杆43和第一转动件41之间的啮合状态，如图3和4所示，即使第一转动件41和第二转动件42之间的间隔变化，而转动从第二转动件42传送给第一转动件41。

换句话说，即使心轴2只在步进电动机3的位置固定的情况下移动，转动也从步进电动机3传送给心轴2。

因此，不需要有一空间来容纳步进电动机3的电缆33，如同在传统的、其中转动驱动装置随心轴2移动的线性执行机构里所需的那样，这样，可实现线性执行机构的尺寸减少。由于电缆33不再延伸和收缩，电缆33的损坏也可防止。

透明件122和沿轴向方向形成的刻度123布置在后框架12的侧表面上。指示心轴2位置的基线442和指示心轴2由于转动角度而来的移动位移量的刻度441布置在与第一转动件41的外周配合安装的圆环44上。因此，可读出心轴2的移动位移量。

此时，后框架12是一相对于前框架11的分离体，但仅仅通过定位螺钉121而固定在前框架11的螺纹圆筒112上。因此，通过按照线性执行机构使用模式旋转后框架12，透明件122可移动至比较容易读出刻度123和441的位置上。

步进电动机3的转子31上设置旋钮32。当从外侧用手转动旋钮32时，可转动步进电动机3的转子31和手工移动心轴2。结果，心轴2可手工移动而不需要驱动步进电动机3，当细调心轴2的位置时可获得极好的工作特性。

在按照现有的技术领域的线性执行机构里，啮合装置或齿轮组设置在主体1和转动驱动装置之间，而主体1和转动驱动装置成一体。因此，它不可能或非常困难更换转动驱动装置。

然而，在本发明的第一实施例里，步进电动机3是相对于主体1的分离体，根本不与主体1啮合。由于步进电动机3仅仅与第二转动件42配合安装，因此可按照所需的用途使用各种转动驱动装置来代替步进电动机3。

在按照现有的技术领域的线性执行机构里，位移检测装置不能直接读出心轴2的移动位移量，但可读出驱动轴或电动机的转子31的转动。因此，误差可能由心轴2的移动位移量而形成。然而，在本实施例里，V形槽23形成于心轴2上，而转子52由于V形槽23和螺钉53之间的啮合而转动。因此，心轴2的转动量可直接读出，误差不会由心轴2的移动位移量而形成。

本实施例的线性执行机构包括从数字显示部分113输出数据的输出电缆113A和从步进电动机3向外延伸的电缆33。因此，可通过输出电缆113A将位移检测装置5检测到的心轴2的移动位移量的数据输出给外部设备，并按照该数据由外部设备通过电缆33执行对步进电动机3的反馈控制。

当心轴2过分地向另一端部侧移动时，第一转动件41和连接杆43之间的啮合可能脱离。然而，由于螺纹圆筒112和心轴2上形成有锥形112B和21，这些锥形112B和21将约束心轴2向另一端部侧的过分移动。因此，可防止心轴2向另一端部侧的过分移动以及第一转动件41与连接杆43的脱离。

(第二实施例)

本发明的第二实施例包括图5、6和7所示的、第一实施例的第二转动件42的替换件。第二实施例中的第二转动件的替换件被分成两个部件，如图5的立体图所示。两个第二转动件60A和60B通过八个螺钉62和两块矩形弹簧板61连接。两转动件之一60A固定在转子31上。两转动件之另一60B固定两连接杆43。这些连接的具体布置如图6的前视图和图7的侧视图所示。

在包括上述第二转动件的第二实施例里，几乎可平行于步进电动机3的中心轴线移动。因此，即使在步进电动机3的中心轴线自心轴2的轴线移动的情况下，线性执行机构的操作也可稳定地维持。其理由是，第一转动件41的两凹槽411和两连接杆43之间的滑动条件的变化被两连接杆43的移动吸收。换句话说，凹槽411处的摩擦阻力通过两弹簧板61的弯曲而保持不变。

(第三实施例)

如图5所示，本发明的第三实施例通过步进电动机3驱动外测微计的心轴2。

它的基本结构与第一实施例相同。然而，臂114设置在主体1上，而基准面114A设置在臂114的末端上，该末端沿心轴2的轴线与心轴2相对。

还设置用来驱动步进电动机3的开关114B，而用来驱动步进电动机3的电池安装在里面。

按照这种结构，当心轴2和基准面114A与测量目标的测量位置接触时，线性执行机构可测量测量部分的尺寸。

由于该实施例包括用来驱动步进电动机3的开关114B和安装在里面的电池，操作者可用一只手测量测量目标而不受电线(113A，33)的限制。

从上述的第一和第二实施例可看出，本发明的传动机构4具有简单的结构，其中，第一转动件41的另一端仅仅固定在心轴2的另一端上。因此，现有的测微头和外测微计可利用电动机而容易地被驱动。

使用步进电动机3，本发明的线性执行机构可通过检测转子31的转动相位与转子52的转动相位的差异、按照用来驱动步进电动机3的驱动信号测量施加在步进电动机3上的负载。因此，当步进电动机3经受反馈控制时，驱动心轴的力、即测量力可保持在预定范围内。

按照本发明的线性执行机构不限于上述实施例，在本发明的范围内当然可以各种方式进行改变或修改。

线性执行机构不限于测微头或外测微计，也可是通过转动移动主动件的其它装置。

在上述实施例中，主体1包括前框架11和后框架12，但也可作为一整体形成。

除了步进电动机3，可使用各种电动机作为转动驱动装置。

在按照本实施例的传动机构4里，连接杆43固定在第二转动件42上，但以可滑动的方式与第一转动件啮合。然而，相反，连接杆也可固定在第一转动件41上，而以可滑动的方式与第二转动件42啮合。

第一转动件41的插入孔可是一通孔，而不是与圆柱轴平行形成的缺口411。

在上述实施例里，第三转动件是与第一转动件41啮合的圆环44。然而，一圆筒形转动体可单独地设置在第一转动件41上。

如上所述，本发明可提供一具有简单结构的紧凑的线性执行机构。

Claims (6)

1.一种线性执行机构，包括：

通过螺钉固定在一主体上并能沿轴向方向移动的主动件；

用来检测所述主动件的移动位移量的位移检测装置；

设置在所述主动件的一端部侧并与所述主动件同轴的转动驱动装置；以及

将所述转动驱动装置的旋转力传送给所述主动件的传送机构；其中，

所述传送机构包括配合安装在所述主动件的一端部侧的、与所述主动件一起转动的第一转动件，配合安装在所述转动驱动装置的转动轴上的第二转动件，以及将所述第二转动件的转动传送给所述第一转动件的连接杆；以及

所述连接杆布置成与所述主动件的轴线平行、但在与所述主动件的轴线不同的轴线上，且与所述第一转动件和所述第二转动件中的一个连接，而与所述第一转动件和所述第二转动件中的另一个以可沿所述连接杆轴向方向滑动的方式啮合。

2.如权利要求1所述的线性执行机构，其特征在于，所述连接杆与其啮合并能沿所述连接杆轴向方向滑动的插入缺口形成于所述第一和第二转动件的另一个上。

3.如权利要求1所述的线性执行机构，其特征在于，一随所述转动驱动装置的所述转动轴一起转动的旋钮安装在所述转动驱动装置上的与所述主动件相反的一侧上。

4.如权利要求1至3之一所述的线性执行机构，其特征在于，还包括与所述主动件一起移动和转动的第三转动件，其中，一透明件设置在与所述第三转动件的移动范围对应的所述主体侧表面的一部分上，一刻度沿所述第三转动件移动方向形成，以及另一刻度形成在所述第三转动件外周侧表面上。

5.如权利要求1所述的线性执行机构，其特征在于，所述第二转动件包括第一部件和第二部件，其中：

(1)所述第一部件固定在所述转动驱动装置的所述转动轴上；

(2)所述第二部件固定所述连接杆；

(3)两弹簧板连接所述第一和第二部件，这样，所述连接杆能平行所述转动驱动装置的转动轴的轴线移动；以及

(4)所述两弹簧板布置成与所述转动轴的轴线对称并互相平行。

6.如权利要求1所述的线性执行机构，其特征在于，所述第二转动件包括第一部件和第二部件，其中：

(1)所述第一部件固定在所述主动件的一端部上；

(2)所述第二部件固定所述连接杆；

(3)两弹簧板连接所述第一和第二部件，这样，所述连接杆能平行所述转动主动件的轴线移动；以及

(4)所述两弹簧板布置成与所述主动件的轴线对称并互相平行。

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