JP2007154944A

JP2007154944A - アクチュエータ構造

Info

Publication number: JP2007154944A
Application number: JP2005348571A
Authority: JP
Inventors: Toshikane Kaneki; 敏兼金木
Original assignee: Oriental Motor Co Ltd
Current assignee: Oriental Motor Co Ltd
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】本発明は、ボールねじ軸の軸方向のスペースを短縮し、モータ或いは被回転軸を単体で交換することができ制御性が良好でコンパクトな構成を得ることができるアクチェエータ構造を提供する。
【解決手段】本発明は、ケーシング内に軸受けを介して支持されたモータシャフトの軸方向の端部に締結用ねじ孔を形成し、前記締結用ねじ孔に締結用ねじ部を螺合して外周にボール溝を形成したボールねじを組付けたアクチュエータ構造において、前記締結用ねじ部３１ａを締結用ねじ孔１８ｄ内に案内する中空円筒部材２５を前記ケーシング１６の前記モータシャフト１８と同軸線上に配置し、前記中空円筒部材２５の内面に沿って前記締結用ねじ部３１ａを前記モータシャフト１８の締結用ねじ孔１８ｄに締結した構造にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボールねじをモータシャフトに締結したアクチュエータ構造に関する。

一般に、産業用のロボットにおいては、モータシャフトにボールねじを連結し、モータによりボールねじを回転駆動することにより、ボールねじのナット部分にブラケットを介して取付けられた作業部材等を直線的に移動させるようにしている。このような単軸ロボットにおいては、ボールねじを構成するボールねじ軸とモータの出力軸とがカップリングを介して連結されるのが一般的である。

しかしながら、近年では、ボールねじ駆動の制御性の向上あるいは単軸ロボットのコンパクト化を図る等の目的から、モータのロータ軸を形成するシャフトを延長して、このシャフトの延長部分にねじを螺着することにより、モータのロータ軸とボールねじのボールねじ軸とを一体化することが行われている（特許文献１参照）。

また、電動モータの回転軸の一端に円筒状の穴を形成し、送りねじ軸の一端面に円筒状の突起を形成し、送りねじ軸の突起に電動モータの回転軸の穴を嵌合させて溶融金属媒体によって接合させることが行われている（特許文献２参照）。
特開平９−５７６６７号公報特開２００５−１１４０８１

特許文献１は、締結部にシュパンリングを使用するため、高い部品精度が必要で、コストが高くなることや外形の小さな小型モータへの応用は難しい。
特許文献２は、２種類のブランク材をレーザー等で固定後にボールねじのボール溝を加工して、モータシャフトとボールねじの一体部材を製作するためモータとボールねじの分離が不可能であるとともにボールねじの交換等に対応ができない。多品種のボールねじとモータとの組み合わせを生産するには、生産対応がしにくいという課題があった。

本発明は、上記課題を解決し、ボールねじ軸の軸方向のスペースを短縮し、モータ或いは被回転軸を単体で交換することができ制御性が良好でコンパクトな構成を得ることができるアクチェエータ構造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、ケーシング内に軸受けを介して支持されたモータシャフトの軸方向の端部に締結用ねじ孔を形成し、前記締結用ねじ孔に締結用ねじ部を螺合して外周にボール溝を形成したボールねじを組付けたアクチュエータ構造において、前記締結用ねじ部を締結用ねじ孔内に案内する中空円筒部材を前記ケーシングの前記モータシャフトと同軸線上に配置し、前記中空円筒部材の内面に沿って前記締結用ねじ部を前記モータシャフトの締結用ねじ孔に締結したことにある。
また、本発明は、前記モータシャフトの端部に小径部を形成し、該小径部に前記軸受けを配置し、かつ該軸受けの内輪を前記モータシャフトの小径部端部壁面と前記中空円筒部材端面とで挟持するとともに、前記ボールねじのボール溝と締結用ねじ溝との間に段付き円筒部を設け、該段付き円筒部の端面で前記中空円筒部材を固定したことにある。
さらに、本発明は、前記中空円筒部材の内径を、前記ボールねじのボール溝と締結用ねじ部との間に設けられた段付き円筒部の外径及び前記モータシャフトの端部の小径部の外径より小さな内径寸法に形成したことにある。
またさらに、本発明は、前記ボールねじの外周ボール溝と締結用ねじ部のねじ溝の螺刻方向が異なることにある。

請求項１の発明によれば、ボールねじの締結用ねじ部をケーシング内に案内する中空円筒部材を前記ケーシングの前記モータシャフトと同軸線上に配置し、前記中空円筒部材の内面に沿って前記締結用ねじ部を前記モータシャフトの締結用ねじ孔に締結したので、軸方向のスペースを短縮することができるとともに、モータ或いはボールねじ等の被回転軸を単体で交換することができる。また、ボールねじの締結用ねじ部を中空円筒部材の内面に沿って組付けることができるので、組付け性を向上できる。
請求項２の発明によれば、モータシャフトの端部に小径部を形成し、該小径部に前記軸受けを配置し、かつ該軸受けの内輪を前記モータシャフトの小径部端部壁面と前記中空円筒部材端面とで挟持するとともに、前記ボールねじのボール溝と締結用ねじ部との間に段付き円筒部を設け、該段付き円筒部の端面で前記中空円筒部材を固定したので、締結用ねじ部をモータシャフトの締結用ねじ孔に螺合することで段付き円筒部により中空円筒部材を固定することができる。
請求項３の発明によれば、中空円筒部材の内径を、前記ボールねじのボール溝と締結用ねじ部との間に設けられた段付き円筒部の外径及び前記モータシャフトの端部の小径部の外径より小さな内径寸法に形成したので、中空円筒部材の内径からの半径方向圧縮力により、モータシャフトとボールねじとが高い同軸度が得られ、締結ねじの緩み止めの効果が得られる。
請求項４の発明によれば、ボールねじの外周ボール溝と締結用ねじ部のねじ溝の螺刻方向が異なるので、軸方向に発生する荷重を相殺することができ、締結部の緩み防止効果が得られる。

以下、図示の実施の形態を図面を参照しながら、詳細に説明する。
図１は本発明に係るアクチェエータ構造を示す断面図である。

図１に示す実施の形態は、ステッピングモータ部1０と、ボールねじ軸３１とボールを介して螺合するナット３２からなるボールねじ部３０から構成されている。ステッピングモータ部1０は、固定子鉄心１１、固定子巻線１２等からなる固定子（ステータ）１３及び回転子（ロータ）１４と、固定子１３の前後両側に配置され、固定子１３とともにモータケース１５を形成する中空のケーシング１６，１７とで構成されている。

回転子１４は、ロータ軸を形成するモータシャフト１８に取付けられた永久磁石１９および回転子コア２０，２１からなるもので、永久磁石１９を挟むようにして回転子コア２０，２１が設けられている。モータシャフト１８は両端部に小径部１８ａ，１８ｂが形成されており、この小径部１８ａ，１８ｂとケーシング１６，１７内面との間に配置された軸受け２２，２３を介して前記モータケース１５の中心軸線上にモータシャフト１８が回転自在に配設されている。

前記軸受け２２，２３のうちモータシャフト１８の出力側に配置された軸受け２２は、２個のアンギュラベアリングを並設して支持剛性が高められている。
この軸受け２２はケーシング１６の内周面の最も奥に形成されたリブ１６ａと、ケーシング１６の開口端側内周面に螺着された環状の押え板２４によってその外輪部が挾持されており、これによってケーシング１６内に固定されている。軸受け２２の内輪側は、モータシャフト１８の小径部１８ａの最内部の終端壁面１８ｃと、押え板２４の内周側に配置された中空円筒部材２５によって挟持されている。
中空円筒部材２５は、前記ボールねじ部３０のボールねじ軸３１の先端に形成された締結用ねじ３１ａを、モータシャフト１８の出力側端部に軸方向に形成されたねじ孔１８ｄに螺合することで、ボールねじ軸３１に設けられたボールねじ軸円筒部３１ｂの後端に段付き円筒部を形成するフランジ部３１ｃを介して軸受け２２側に押し付けられている。

中空円筒部材２５の内径は、モータシャフト１８の出力軸１８ｅの外径及びボールねじ軸３１の円筒部３１ｂ外径寸法より、小さく仕上げられており、これによる圧縮力により、出力軸１８ｅとボールねじ軸３１との同軸度が得られる。また、中空円筒部材２５からの圧縮力により、ボールねじ軸３１と出力軸１８ｅとのねじ締結の緩み防止効果を得ることができる。

また、ボールねじ軸３１の端末に設けられたねじ部３１ａのねじ溝の螺刻（巻き）方向と、ボール溝３１ｄの螺刻（巻き）方向を逆向きにすることで、出力軸１８ｅが回転する際に発生するねじ部３１ａの軸方向の力の向きとナット３２からボールねじ軸３１が受ける軸方向の力が逆向きになり、締結部の緩み止め防止の効果を得ることができる。
更に強い締結力を必要とする場合は、中空円筒部材２５の外周部より、半径方向に六角穴付き止めねじをボールねじ軸３１の円筒部３１ｂの外周及び出力軸１８ｅ外周に押し当てることで緩み止め防止効果が得られる。

図２は、上述したアクチュエータ構造の作用を移動ブラケットの往復動に適用した場合について説明する。
ステッピングモータ部1０を単軸ロボット４０にねじ止めして固定し、ボールねじ部３０のナット３２に移動ブラケット４１をねじ止めする。ステッピングモータ部1０は、ドライバ、コントローラの制御機器により制御されるもので、移動ブラケット４１はガイドレール４２に沿って軸方向に移動するものである。
そして、ステッピングモータ部1０のモータの駆動により、ボールねじ軸３１が回転させられると、それに伴って、ナット部材３２及びこれに固着された移動ブラケット４１がガイドレール４２に沿って移動する。ドライバ、コントローラの制御機器によりモータが制御され、これにより上記移動ブラケット４１の移動速度や移動量が制御されることになる。

このようにして単軸ロボット４０が作動されているとき、ロータ軸としてのモータシャフト１８に直接、ボールねじ軸３１が連結されているので、ロータ軸の回転量とボールねじ軸３１との回転量との間にずれが生じることが防止される。すなわち、モータのモータシャフトとボールねじ軸とをカップリングを介して連結する場合には、両軸間にねじり剛性が低い部分が介在することになり、両軸間の回転量にずれが生じる可能性が高いが、上記実施形態の構成によればこのようなことがなく、高精度でのモータ制御が可能となる。

また、上述のようにカップリングが用いられることなくボールねじ軸３１の端末部がステッピングモータ部1０の内部に挿入された状態で連結されているため、カップリングを用いる構造に比べ、ボールねじ部３０を支持する軸受け等の支持部材の分だけボールねじ軸３１の軸方向のスペースが短縮される。すなわち、ボールねじ部３０の有効範囲（移動ブラケット４１の可動範囲）を同等にすれば単軸ロボット４０の軸方向寸法を短縮することができ、逆に単軸ロボット４０の軸方向寸法を同等にすればボールねじ部３０の有効範囲を長くとることが可能となる。従って、単軸ロボット４０のコンパクト化を効果的に達成することができる。

しかも、上記実施形態の単軸ロボット４０では、ボールねじ軸３１とモータシャフト１８とを結合するため中空円筒部材２５を取り外すことにより、ボールねじ軸３１とステッピングモータ部1０とを簡単に分離させることができるので、モータ自体に故障が生じた場合や、ボールねじ軸３１に損傷が生じた場合には、ボールねじ軸３１、あるいはステッピングモータ部1０を個別に取り外して交換することができる。
従って、ステッピングモータ部1０のロータ軸とボールねじ部３０とを一体化した従来の構造のように、ボールねじやモータの故障等の際にロボットのほぼ全体を分解してボールねじを含むモータ全体を交換する必要がなく、単軸ロボット４０のカバー４３を外してボールねじ軸３１、あるいはモータ本体のみを交換することができ、これにより単軸ロボット４０のメンテナンス性が向上される。

モータ出力軸１８ｅとボールねじ軸３１との高い同芯度と小型化が可能な締結をするために、通常、研削加工されているモータ出力軸１８ｅ及びボールねじ軸３１を同寸法に仕上げ(必ずしも、同一でなくとも良い)、モータ出力軸外径寸法及びボールねじ軸３１外径寸法より小さな内径寸法を有する中空円筒部材(カラー)２５をモータ出力軸とボールねじ軸の間に配置して、該中空円筒部材２５の内径をインローとしてボールねじ軸端末に設けられた締結用ねじ部３１ａを出力軸先端のねじ孔１８ｄに締めこむことにより、モータ出力軸１８ｅ及びボールねじ軸３１ｄが中空円筒部材２５に圧入されて、軸受け２２の内輪を出力軸１８ｃと中空円筒部材２５端面で挟み込む位置に固定することができる。また、中空円筒部材２５の内径寸法が、モータ出力軸１８ｅ外径及びボールねじ部３０外径寸法より小さく仕上げられていることから、中空円筒部材２５内径からの半径方向圧縮力により、モータ出力軸１８ｅとボールねじ軸３１とが高い同軸度が得られるとともに、締結ねじの緩み止めの役割も得られる。
これにより、カップリングおよび軸受け（アンギュラベアリング）を固定するロックナットが必要なくなり、小型化を実現できる。

モータ出力軸１８ｅとボールねじ部３０を締結しているねじ部を緩めることで、モータとボールねじ部３０を簡単に分離することができ、メンテナンス等でボールねじを交換することが可能となるとともに、部品点数が少なく、低コストで、高い同軸度が得られ、且つ締結部分が小スペースのアクチュエータを実現できる。
また、ボールねじ部３０のボール溝の巻き方向と端部ねじ３１ａの巻き方向を逆にすることで、軸方向に発生する荷重を相殺することができ、締結部の緩み防止効果が得られる。

さらに、本発明のアクチュエータ構造によれば、以下の効果を奏する。
ロータ軸を構成するモータシャフト１８とボールねじ軸３１とを中空円筒部材２５に圧入及びボールねじ部３０端末部の締結用ねじ３１ａにより連結するので、ボールねじ軸３１とモータとの連結において、カップリングを省略することができる。その上、ボールねじ軸３１端末がモータ内に挿入された状態で連結されるので、ボールねじ部３０とモータとを用いた駆動構造において、ボールねじ軸３１方向のスペースを短縮することができる。

また、カップリングが不要となることで、ボールねじ軸３１とロータ軸との間にねじり剛性が低い部分が介在することがなく、ロータ軸の回転量とボールねじ軸３１との回転量との間にずれが生じることが防止されるため制御性が向上される。
さらに、ボールねじ軸３１とモータ出力軸１８ｅとが中空円筒部材２５の内径で案内され、ボールねじ軸３１端末部の締結用ねじ３１ａを締め込むことにより、高い同軸度で連結され、ボールねじ軸３１端末部の締結用ねじ３１ａを緩めることにより、ボールねじ軸３１とモータとを分離することが可能である。よって、ボールねじ軸３１とモータとを用いた駆動構造において、モータ、あるいは被回転軸を単体で交換することが可能でありメンテナンス性が向上する。

従って、このようなアクチュエータ構造を単軸ロボット４０の駆動装置を構成するモータに採用することにより、モータのロータ軸とボールねじ部３０とを一体化した従来のこの種の装置と同様に制御性が良好で、かつコンパクトな構成を達成しながら、さらにメンテナンス性のよい単軸ロボット４０の駆動装置を提供することができる。

なお、上記実施形態で説明したステッピングモータ部1０は、本発明に係るモータ構造が適用されるモータの一例であって、具体的な構造は本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の実施の形態によるアクチュエータ構造を示す断面図である。本発明の実施の形態によるアクチュエータ構造を単軸ロボットの往復動に利用した構造を示す断面図である。

符号の説明

１０ステッピングモータ部
１３固定子
１４回転子
１５モータケース
１６，１７ケーシング
１８モータシャフト
２２軸受け
２４押え板
２５中空円筒部材
３０ボールねじ部
３１ボールねじ軸
３２ナット
４０単軸ロボット
４１移動ブラケット

Claims

ケーシング内に軸受けを介して支持されたモータシャフトの軸方向の端部に締結用ねじ孔を形成し、前記締結用ねじ孔に締結用ねじ部を螺合して外周にボール溝を形成したボールねじを組付けたアクチュエータ構造において、前記締結用ねじ部を締結用ねじ孔内に案内する中空円筒部材を前記ケーシングの前記モータシャフトと同軸線上に配置し、前記中空円筒部材の内面に沿って前記締結用ねじ部を前記モータシャフトの締結用ねじ孔に締結したことを特徴とするアクチェエータ構造。
前記モータシャフトの端部に小径部を形成し、該小径部に前記軸受けを配置し、かつ該軸受けの内輪を前記モータシャフトの小径部端部壁面と前記中空円筒部材端面とで挟持するとともに、前記ボールねじのボール溝と締結用ねじ部との間に段付き円筒部を設け、該段付き円筒部の端面で前記中空円筒部材を固定したことを特徴とする請求項１に記載のアクチェエータ構造。
前記中空円筒部材の内径を、前記ボールねじのボール溝と締結用ねじ部との間に設けられた段付き円筒部の外径及び前記モータシャフトの端部の小径部の外径より小さな内径寸法に形成したことを特徴とする請求項２に記載のアクチェエータ構造。
前記ボールねじの外周ボール溝と締結用ねじ部のねじ溝の螺刻方向が異なることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアクチェエータ構造。