JP2003250246A - 直動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造により所望の減速比が得られて、
小型軽量で高推力、かつ、高精度の位置決めを実現容易
する。 【解決手段】 駆動用モータ１の出力軸２に遊星式減速
機３を設け、駆動用モータ１の回転を遊星式減速機３を
介して減速した上で摺動部材４の直線往復動に変換する
直動アクチュエータであって、遊星式減速機３の出力部
材である回転内歯車８の外周に、摺動部材４と螺合する
ねじ部１４を形成する。摺動部材４は中空部５を有し、
その中空部５に駆動用モータ１および遊星式減速機３を
収納配置する。駆動用モータ１の外径の少なくとも一部
にフラット面１７を有し、そのフラット面１７を摺動部
材４の接触面とする。遊星式減速機３は、太陽歯車６、
回転内歯車８、複数の遊星歯車９、キャリア１０からな
る遊星歯車機構とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は直動アクチュエータ
に関し、例えばエンターテイメント、医療用鉗子、搬送
ハンド用などの小型ロボットに組み込まれ、その小型ロ
ボットの一部を構成する関節部位などを駆動するため
に、小型軽量で高推力、かつ、高精度の位置決めを必要
とする直動アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、直動アクチュエータの従来例と
しては、特開平９−１８２４０７号公報、特開２０００
−３４１９０５公報や特開２００１−８６６９８公報に
開示されたものがある。

【０００３】特開平９−１８２４０７号公報に開示され
た直動アクチュエータは、固定子コイルを収容した固定
子と、永久磁石を軸受により軸線方向に軸支する回転子
と、その回転子の内周に設けられた雌ねじと係合可能
で、軸支部材により回転がロックされたねじ山付きスピ
ンドルとからなるステッピングモータを具備する。この
直動アクチュエータでは、回転子の回転をスピンドルの
軸線方向に沿う直線移動に変換するようにしている。

【０００４】また、特開２０００−３４１９０５公報に
開示された直動アクチュエータは、コイルに通電するこ
とにより回転するロータ部と、一部にねじ部が形成され
たスクリューシャフトと、ロータ部の回転力をスクリュ
ーシャフトに伝達する回転伝達機構と、スクリューシャ
フトの回転力をその軸方向推進力に変換する固定ナット
等の運動変換機構と、スクリューシャフトを回転自在お
よび軸方向に摺動自在に保持する軸受とからなる直線駆
動型モータを具備する。この直動アクチュエータでは、
ロータ部の回転力をスクリューシャフトの軸方向に沿う
直線移動に変換するようにしている。

【０００５】さらに、特開２００１−８６６９８公報に
開示された直動アクチュエータは、磁極が周上に分割着
磁された永久磁石を有するロータと、磁界を発生させる
ための巻線および磁極と対向するように配置され、巻線
に電流が流れた時に磁極が生成されるステータ磁極部を
有するステータと、ロータの回転軸上に貫通した状態で
ロータに固定され、ステータに設けられた支持部材で支
持される駆動シャフトとを具備する。この直動アクチュ
エータでは、ステータ磁極部における磁極の変化に応じ
てロータが回転軸回りに回転することにより、駆動シャ
フトが、ロータと共に回転しながら回転軸に沿って直進
運動するようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した特
開平９−１８２４０７号公報、特開２０００−３４１９
０５公報や特開２００１−８６６９８公報に開示された
直動アクチュエータのいずれも、減速機構を具備しない
ため、直動アクチュエータの推力がロータ等からなる駆
動部の性能で制限されていることから、例えば、エンタ
ーテイメント、医療用鉗子、搬送ハンド用などの小型ロ
ボットの一部を構成する関節部位などを駆動するために
用いられる直動アクチュエータ、つまり、小型軽量で高
推力、かつ、高精度の位置決めを必要とするような直動
アクチュエータに用いることが困難であった。

【０００７】仮に、前述した構造の直動アクチュエータ
に減速機構を設けた場合でも、その減速機構を備えた直
動アクチュエータ全体の重量が増大し、大型化するとい
う問題も生じることになる。

【０００８】そこで、本発明は前記問題点に鑑みて提案
されたもので、その目的とするところは、簡単な構造に
より所望の減速比が得られて、小型軽量で高推力、か
つ、高精度の位置決めを実現容易にし得る直動アクチュ
エータを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の技術的手段として、本発明は、駆動用モータの出力軸
に遊星式減速機を設け、駆動用モータの回転を遊星式減
速機を介して減速した上で摺動部材の直線往復動に変換
する直動アクチュエータであって、前記遊星式減速機の
出力部材の外周に、前記摺動部材と螺合するねじ部を形
成したことを特徴とする。

【００１０】この直動アクチュエータでは、駆動用モー
タの回転を遊星式減速機により所望の減速比でもって減
速し、その減速された回転を摺動部材の直線往復動に変
換することにより、高推力、高精度の位置決めが実現さ
れるが、この時、摺動部材と螺合するねじ部を遊星式減
速機の出力部材の外周に形成したことにより、部品点数
を削減して直動アクチュエータの軽量コンパクト化を実
現する。

【００１１】なお、前記遊星式減速機としては、駆動用
モータの出力軸に同軸的に設けられた太陽歯車と、回り
止めされた前記摺動部材と螺合した出力部材である回転
内歯車と、前記太陽歯車と回転内歯車との間にそれら両
者と噛合するように介装された複数の遊星歯車と、これ
ら遊星歯車を円周方向等間隔に回転自在に保持するキャ
リアとで構成された遊星歯車機構が好適であり、特に、
駆動用モータの出力軸に同軸的に設けられた太陽歯車
と、回り止めされた前記摺動部材と螺合した出力部材で
ある回転内歯車と、前記駆動用モータに固着された固定
内歯車と、前記太陽歯車と回転内歯車および固定内歯車
との間にそれら両者と噛合するように介装された複数の
遊星歯車と、これら遊星歯車を円周方向等間隔に回転自
在に保持するキャリアとで構成された不思議遊星歯車機
構であれば、高減速比が得られる点でより一層好まし
い。

【００１２】本発明の前記構成において、前記直動アク
チュエータの出力部分を構成する摺動部材は中空部を有
し、その中空部に前記駆動用モータおよび遊星式減速機
を収納配置したことを特徴とする。これにより、摺動部
材内の空間スペースを有効利用することができて直動ア
クチュエータ全体のコンパクト化が図れ、摺動部材の直
線往復動ストロークを増大させることも容易となる。

【００１３】本発明の前記構成において、前記駆動用モ
ータの外径の少なくとも一部にフラット面を有し、その
フラット面を摺動部材の接触面としたことを特徴とす
る。これにより、駆動用モータのフラット面が摺動部材
の回り止めとして機能するので、回り止め構造を駆動用
モータ以外の別部品で用意する必要がなく、部品点数の
削減、製造コストの低減が図れる。

【００１４】本発明の前記構成において、前記遊星式減
速機を構成する各部品および摺動部材を含む構成部品を
樹脂製としたことを特徴とする。これにより、直動アク
チュエータ全体の軽量化が図れ、また、製造コストの低
減も実現容易となる。なお、前記樹脂としては、ポリア
セタール、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイドを
含むエンジニアリングプラスチックが望ましい。エンジ
ニアリングプラスチックを用いれば、構成部品の強度確
保および耐磨耗性の向上が図れる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１および図２は本発明の実施形
態で、遊星歯車機構からなる遊星式減速機を具備した直
動アクチュエータを示す。直動アクチュエータは、小型
の駆動用モータ１と、その駆動用モータ１の出力軸２に
設けられた遊星式減速機３と、その遊星式減速機３の出
力部材（後述の回転内歯車）に螺合した摺動部材（ナッ
ト）４とで主要部が構成される。なお、この直動アクチ
ュエータは、例えば直径１０ｍｍ程度、軸方向長さ２０
ｍｍ程度を有する小型ユニットである。

【００１６】駆動用モータ１と遊星式減速機３とは円筒
形状を有する摺動部材４の内部に収納配置されている。
このように摺動部材４の中空部５に駆動用モータ１およ
び遊星式減速機３を収納配置したことにより、摺動部材
４内の空間スペースを有効利用することができて直動ア
クチュエータ全体のコンパクト化が図れ、摺動部材４の
直線往復動ストロークを増大させることも容易となる。

【００１７】遊星式減速機３は、駆動用モータ１の出力
軸２に同軸的に設けられた太陽歯車６と、その太陽歯車
６の軸端に転がり軸受７を介して回転自在に支持された
出力部材である回転内歯車８と、太陽歯車６と回転内歯
車８との間にそれら両者と噛合するように介装された複
数の遊星歯車９と、これら遊星歯車９を円周方向等間隔
に回転自在に保持するキャリア１０とで構成された遊星
歯車機構である。なお、回転内歯車８を太陽歯車６に支
持する転がり軸受７は必ずしも必要なものではなく、こ
の転がり軸受７を省略して回転内歯車８を太陽歯車６に
滑りだけで直接的に支持するようにしてもよい。

【００１８】回転内歯車８は円筒形状を有し、その中空
部１１の内径に遊星歯車９と噛合する歯部１２が形成さ
れ、中空部１１内に遊星歯車９、太陽歯車６およびキャ
リア１０が収納配置されている。各遊星歯車９はその軸
方向両端から突出した軸１３を有し、駆動用モータ１に
固定された一方のキャリア１０と転がり軸受７側に位置
する他方のキャリア１０により、遊星歯車９の軸１３を
回転自在に支持する構造としている。

【００１９】遊星式減速機３の出力部材である回転内歯
車８の外周に摺動部材４と螺合するねじ部であるねじ溝
１４を形成する。このように回転内歯車８の外周にねじ
溝１４を直接的に形成したことにより、部品点数を削減
して直動アクチュエータの軽量コンパクト化を図ること
ができる。

【００２０】摺動部材４は、その内径に回転内歯車８と
螺合するねじ山１５が形成され、駆動用モータ側端部に
回り止め１６が一体的に固着されている。また、摺動部
材４の先端部（ストロークエンド）には、抜け止め防止
用の突起２０を形成している。駆動用モータ１にはフラ
ットタイプと称される扁平モータを使用することによ
り、上下に位置するフラット面１７を、直線往復動する
摺動部材４と一体の回り止め１６が摺動する接触面とす
ることで、摺動部材４の軸中心回転が規制されている。

【００２１】回転内歯車８の回転を摺動部材４の直線往
復動に変換する効率を考慮すると、回転内歯車８のねじ
溝１４と摺動部材４のねじ山１５のリードは大きい方が
よいが、大きくし過ぎると、ねじ溝１４とねじ山１５の
噛み合いが少なくなる。このねじ溝１４とねじ山１５の
噛み合いを考慮すると、ねじ溝１４とねじ山１５のが最
低２ピッチ以上必要である。

【００２２】なお、直動アクチュエータを小型ロボット
に組み込むに際しては、駆動用モータ１の基端部を固定
支持し、摺動部材４の外径に、小型ロボットの一部を構
成する関節部位などの駆動機構を取り付けるようにすれ
ばよい。このように駆動用モータ１を固定側とし、摺動
部材４を可動側とすることにより、可動側を軽量化する
ことが可能であるが、逆に、摺動部材４を固定側とし、
駆動用モータ１を可動側とすることも可能である。

【００２３】この直動アクチュエータでは、駆動用モー
タ１の回転を遊星式減速機３により所望の減速比でもっ
て減速し、その減速された回転を摺動部材４の直線往復
動に変換することにより、高推力、高精度の位置決めを
実現する。具体的に、駆動用モータ１の出力軸２の回転
により遊星式減速機３の太陽歯車６が回転し、この太陽
歯車６の回転によりキャリア１０に対して回転自在に支
持された遊星歯車９が太陽歯車６の回りで回転すること
により、駆動用モータ１の回転が所定の減速比でもって
回転内歯車８に伝達される。

【００２４】この駆動用モータ１に対する回転内歯車８
の減速回転により、そのねじ溝１４およびねじ山１５を
介して螺合する摺動部材４が回転しようとするが、その
摺動部材４の回り止め１６が駆動用モータ１のフラット
面１７に接触しているため、摺動部材４の軸中心回転が
規制される。このようにして摺動部材４の回り止め１６
が駆動用モータ１のフラット面１７を摺動することによ
り、回転内歯車８の回転が摺動部材４の直線往復動に変
換される（図３参照）。この摺動部材４の直線往復動に
より、小型ロボットの一部を構成する関節部位などを、
小型軽量で高推力、かつ、高精度の位置決めで駆動する
ことができる。

【００２５】このように駆動用モータ１のフラット面１
７を摺動部材４が直線往復動する回り止め１６の接触面
としたことにより、駆動用モータ１のフラット面１７が
摺動部材４の回り止めとして機能するので、摺動部材４
の回り止め構造を駆動用モータ１以外の別部品で用意す
る必要がなく、部品点数の削減、製造コストの低減が図
れる。なお、前述した回り止め１６は、摺動部材４と一
体成形により製作することも可能である。

【００２６】この直動アクチュエータを小型ロボットに
組み込んで使用する場合、摺動部材４の直線往復動によ
る直動アクチュエータの動作を制御する上でその伸縮位
置を検出する必要がある。この直動アクチュエータの伸
縮位置の時間変化から直動アクチュエータの伸縮速度を
監視することが可能である。直動アクチュエータの伸縮
位置を検出するための位置検出器は、直動アクチュエー
タ自体に組み込んでモジュール化することが可能であ
り、このモジュール化によりコスト削減やコンパクト化
を実現できる。

【００２７】位置検出器は、例えば駆動用モータ１のフ
ラット面１７上に、プリント基板等の絶縁体を介して、
回り止め１６の移動方向（軸方向）と平行に延びる抵抗
体を配設し、回り止め１６の一部に前記抵抗体に摺動可
能に接触する接点部材（ばね鋼、金メッキ）を装着した
構造が実現容易である。この構造では、抵抗体の一端と
接点部材との間の抵抗値が直動アクチュエータの伸縮位
置に応じて変化するポテンショメータとなる。つまり、
抵抗体の両端に一定電圧を印加すると、駆動モータ１側
にある抵抗体の一端と、回り止め１６から延びる接点部
材との間の電圧が直動アクチュエータの伸縮量に応じて
変化し、その変化する電圧値に基づいて直動アクチュエ
ータの伸縮位置を検出することができる。

【００２８】なお、直動アクチュエータを構成する各部
品、つまり、遊星式減速機３を構成する太陽歯車６、遊
星歯車９、回転内歯車８や、摺動部材４、回り止め１６
を樹脂成形品とする。これにより、直動アクチュエータ
全体の軽量化が図れ、製造コストの低減も実現容易とな
る。使用可能な樹脂としては、ポリアセタール、ポリイ
ミド、ポリフェニレンサルファイドを含むエンジニアリ
ングプラスチックがある。エンジニアリングプラスチッ
クを用いれば、構成部品の強度確保および耐磨耗性の向
上が図れる。また、回転内歯車８のねじ溝１４と摺動部
材４のねじ山１５はその表面潤滑性を良好なものとする
ため、回転内歯車８と摺動部材４には、固体潤滑剤を含
浸させた樹脂を使用することが好ましい。

【００２９】次に、図４は本発明の他の実施形態で、不
思議遊星歯車機構からなる遊星式減速機３’を具備した
直動アクチュエータを示す。図１の実施形態の直動アク
チュエータと同一部分には同一参照符号を付して重複説
明は省略する。図４の直動アクチュエータが図１の実施
形態と異なる点は、遊星式減速機３’として不思議遊星
歯車機構を用いたことにある。この直動アクチュエータ
では、駆動用モータ１の回転を遊星式減速機３’により
所望の減速比でもって減速し、その減速された回転が摺
動部材４の直線往復動に変換される（図５参照）。

【００３０】遊星式減速機３’は、駆動用モータ１の出
力軸２に同軸的に設けられた太陽歯車６と、その太陽歯
車６の軸端に転がり軸受７を介して回転自在に支持され
た回転内歯車８と、駆動用モータ１に固定された固定内
歯車１８と、太陽歯車６と回転内歯車８および固定内歯
車１８との間にそれら両者と噛合するように介装された
複数の遊星歯車９と、これら遊星歯車９を円周方向等間
隔に回転自在に保持する二つのキャリア１０とで構成さ
れた不思議遊星歯車機構である。なお、固定内歯車１８
は円筒形状を有し、その内径に遊星歯車９と噛合する歯
部１９が形成され、この固定内歯車１８と回転内歯車８
とによって形成された中空部１１内に遊星歯車９、太陽
歯車６およびキャリア１０が収納配置されている。

【００３１】この直動アクチュエータでは、不思議遊星
歯車機構からなる遊星式減速機３’において、固定内歯
車１８と回転内歯車８とには、歯数差が必要であり、そ
の歯数差が小さいほど減速比が大きくなる。ここで、太
陽歯車６の歯数をＡ、回転内歯車８の歯数をＢ、固定内
歯車１８の歯数をＣとした場合、この遊星式減速機３’
における減速比は、（１＋Ｃ／Ａ）／（１−Ｃ／Ｂ）で
得られる。この実施形態の直動アクチュエータでは、遊
星歯車機構からなる遊星式減速機を用いた実施形態（図
１参照）よりも高減速比が得られる。

【００３２】なお、前述した二つの実施形態では、遊星
式減速機として、遊星歯車機構や不思議遊星歯車機構を
用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定さ
れることなく、遊星ローラを用いた遊星式減速機も可能
である。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、駆動用モータの出力軸
に遊星式減速機を設け、駆動用モータの回転を遊星式減
速機を介して減速した上で摺動部材の直線往復動に変換
する直動アクチュエータであって、前記遊星式減速機の
出力部材の外周に、前記摺動部材と螺合するねじ部を形
成したことにより、高推力、高精度の位置決めが可能な
直動アクチュエータの軽量コンパクト化を実現できる。

【００３４】前記直動アクチュエータの出力部分を構成
する摺動部材は中空部を有し、その中空部に前記駆動用
モータおよび遊星式減速機を収納配置すれば、直動アク
チュエータ全体のコンパクト化が図れ、摺動部材の直線
往復動ストロークを増大させることも容易となる。

【００３５】前記駆動用モータの外径の少なくとも一部
にフラット面を有し、そのフラット面を摺動部材の接触
面とすれば、駆動用モータが摺動部材の回り止めを兼用
できるので、回り止め構造を駆動用モータ以外の別部品
で用意する必要がなく、部品点数の削減、製造コストの
低減が図れる。

【００３６】前記遊星式減速機を構成する各部品および
摺動部材を含む構成部品を樹脂製とすれば、直動アクチ
ュエータ全体の軽量化が図れ、また、製造コストの低減
も実現容易となる。なお、前記樹脂として、ポリアセタ
ール、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイドを含む
エンジニアリングプラスチックを用いれば、構成部品の
強度確保および耐磨耗性の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態で、遊星歯車機構からなる遊
星式減速機を具備した直動アクチュエータを示す断面図
である。

【図２】図１の直動アクチュエータを示す右側面図であ
る。

【図３】図１の直動アクチュエータを動作させて摺動部
材が直線動した状態を示す断面図である。

【図４】本発明の他の実施形態で、不思議遊星歯車機構
からなる遊星式減速機を具備した直動アクチュエータを
示す断面図である。

【図５】図４の直動アクチュエータを動作させて摺動部
材が直線動した状態を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 駆動用モータ ２ 出力軸 ３ 遊星式減速機 ４ 摺動部材 ５ 中空部 ６ 太陽歯車 ８ 出力部材（回転内歯車） ９ 遊星歯車 １０ キャリア １４ ねじ部（ねじ溝） １７ フラット面 １８ 固定内歯車

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動用モータの出力軸に遊星式減速機を
   設け、駆動用モータの回転を遊星式減速機を介して減速
   した上で摺動部材の直線往復動に変換する直動アクチュ
   エータであって、前記遊星式減速機の出力部材の外周
   に、前記摺動部材と螺合するねじ部を形成したことを特
   徴とする直動アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記遊星式減速機は、駆動用モータの出
   力軸に同軸的に設けられた太陽歯車と、回り止めされた
   前記摺動部材と螺合した出力部材である回転内歯車と、
   前記太陽歯車と回転内歯車との間にそれら両者と噛合す
   るように介装された複数の遊星歯車と、これら遊星歯車
   を円周方向等間隔に回転自在に保持するキャリアとで構
   成された遊星歯車機構であることを特徴とする請求項１
   に記載の直動アクチュエータ。
3. 【請求項３】 前記遊星式減速機は、駆動用モータの出
   力軸に同軸的に設けられた太陽歯車と、回り止めされた
   前記摺動部材と螺合した出力部材である回転内歯車と、
   前記駆動用モータに固着された固定内歯車と、前記太陽
   歯車と回転内歯車および固定内歯車との間にそれら両者
   と噛合するように介装された複数の遊星歯車と、これら
   遊星歯車を円周方向等間隔に回転自在に保持するキャリ
   アとで構成された不思議遊星歯車機構であることを特徴
   とする請求項１に記載の直動アクチュエータ。
4. 【請求項４】 前記摺動部材は中空部を有し、その中空
   部に前記駆動用モータおよび遊星式減速機を収納配置し
   たことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の
   直動アクチュエータ。
5. 【請求項５】 前記駆動用モータの外径の少なくとも一
   部にフラット面を有し、そのフラット面を摺動部材の接
   触面としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか
   に記載の直動アクチュエータ。
6. 【請求項６】 前記遊星式減速機を構成する各部品およ
   び摺動部材を含む構成部品を樹脂製としたことを特徴と
   する請求項１乃至５のいずれかに記載の直動アクチュエ
   ータ。
7. 【請求項７】 前記樹脂製の構成部品を、ポリアセター
   ル、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイドを含むエ
   ンジニアリングプラスチックで成形したことを特徴とす
   る請求項６に記載の直動アクチュエータ。