JP2012060725A - Ｚ軸専用電動アクチュエーター - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷に対抗でき、高スピード化を実現でき、コンパクト化できるＺ軸専用電動アクチュエーターを提供する。
【解決手段】ボールネジ１５と、モーター３と、ナット１６を有するボールネジナットハウジング１７と、スプラインロッド２０と、シリンダーハウジング１１とを備え、ボールネジ１５、ボールネジナットハウジング１７、スプラインロッド２０およびシリンダーハウジング１１を同一鉛直線上に配置し、シリンダーハウジング１１とボールネジナットハウジング１７との間をシールするシール部材３０、３１、３２をボールネジナットハウジング１７の外周に設けて、ボールネジナットハウジング１７にピストン機能を付与し、ボールネジ１５を正転、逆転させてスプラインロッド２０を昇降させ、かつ、シリンダーハウジング１１内に加圧用エアを供給してボールネジナットハウジング１７を上方に向けて加圧するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワーク（負荷）を昇降させ、所定の位置で保持するためのＺ軸専用電動アクチュエーターに関するものである。

この種のＺ軸専用電動アクチュエーターでは、Ｚ軸は、ＸＹ軸とは異なり、ワークの重量による鉛直方向の作用を常に受けるため、ワークの重力に抗して十分にワークを保持することができる構造にしなければならない。

ワークを保持するための方法としては、モーターブレーキが使われるのが一般的である。しかし、モーターブレーキがワーク停止時の保持に用いられるため、ワークの移動時には、ワークの重量に見合った容量のモーターを選定しなければならない。ワークの重量変動が大きい場合などには、最大負荷量を見越した設計をしなければならない。

また、電動アクチュエーターの内部に配置されているボールネジのリードを小さくして鉛直方向の力を軽減し、モーター容量を小さくすることも可能であるが、動作スピードが遅くなるという問題が生じる。さらに、減速機を配置してモーター容量を小さくすることも可能であるが、装置全体が大きくなるため、コンパクトな設計ができなくなるという問題が生じる。

また、間接的な方法として、バランスウエイトを使用することもよく行われているが、ロボットハンドの利用分野に用いるのは現実的ではない。

さらに、ワークを昇降させる場合、イナーシャに比例した制動抵抗がモーターに発生するため、ワークの荷重変動が大きくなれば、最大負荷量を勘案したモーターの選定が求められる。また、高スピード化に対してもイナーシャを勘案する必要がある。このため、高負荷と高スピード化の要求に対しては、大容量のモーターを選定せざるを得ないという問題があった。

また、電動アクチュエーターの小型化と高速化のためにモーターとエアシリンダーを組み合わせた装置が提案されている（例えば特許文献１）。しかし、モーターとエアシリンダーを併設しているため、装置全体が大型化するという問題があった。

特開平１−３０５４０５号公報

本発明は、上記の問題に鑑み、高負荷に対抗することができ、また、高スピード化を実現することができ、しかも、コンパクト化することができるＺ軸専用電動アクチュエーターを提供することを目的とする。

本発明に係るＺ軸専用電動アクチュエーターは、
ボールネジと、
前記ボールネジを正転、逆転させるモーターと、
前記ボールネジが螺合されるナットを有し、非回転状態で昇降可能に配置されるボールネジナットハウジングと、
前記ボールネジナットハウジングに取り付けられるスプラインロッドと、
前記ボールネジナットハウジングおよび前記スプラインロッドを収容するシリンダーハウジングと
を備えており、
前記ボールネジ、前記ボールネジナットハウジング、前記スプラインロッドおよび前記シリンダーハウジングを同一鉛直線上に配置し、
前記シリンダーハウジングと前記ボールネジナットハウジングとの間をシールするシール部材を前記ボールネジナットハウジングの外周に設けることにより、前記ボールネジナットハウジングにピストン機能を付与し、
前記ボールネジを正転、逆転させてスプラインロッドを昇降させ、かつ、前記シリンダーハウジング内に加圧用エアを適宜供給して前記ボールネジナットハウジングを上方に向けて加圧して前記モーターのトルクを低減させるように構成されていることを特徴とする。

また、前記のＺ軸専用電動アクチュエーターは、
前記スプラインロッドに鉛直方向に長い中空部を形成し、前記中空部に前記ボールネジを収容していることを特徴とする。

さらに、前記のＺ軸専用電動アクチュエーターは、
前記モーターがサーボモーターであり、
前記モーターの負荷を検出し、前記モーターがオーバーロードにならない様に、検出された前記モーターの負荷に見合った加圧エアが供給されるように制御する制御手段を備えていることを特徴とする。

本発明により、高負荷に対抗することができ、また、高スピード化を実現することができ、しかも、コンパクト化することができるＺ軸専用電動アクチュエーターを提供することができる。

本発明の実施の形態に係るＺ軸専用電動アクチュエーターの正面図である。 本発明の実施の形態に係るＺ軸専用電動アクチュエーターの動作を説明する正面図である。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。

１．Ｚ軸専用電動アクチュエーターの構成
（１）全体構成
図１は、本発明の実施の形態に係るＺ軸専用電動アクチュエーター１の正面図である。図１に示すように、本発明に係るＺ軸専用電動アクチュエーター１は、ボールネジ１５と、ボールネジ１５を正転、逆転させるモーター３と、ボールネジナットハウジング１７と、スプラインロッド２０と、ボールネジナットハウジング１７およびスプラインロッド２０を収容するシリンダーハウジング１１と、モーター３のトルクを軽減するための補助手段Ａとを備えている。

また、ボールネジ１５、ボールネジナットハウジング１７、スプラインロッド２０およびシリンダーハウジング１１は、同一鉛直線上に配置されている。

（２）モーター３
モーター３は、サーボモーターであり、モーター３の駆動軸１３には、カップリング１４を介してボールネジ１５が連結されている。このように、モーター３をボールネジ１５にカップリング１４で直結させることにより、プーリーやベルトなどの部品が不要になり、コストダウンが図ることができる。

（３）ボールネジナットハウジング１７
ボールネジナットハウジング１７は、ボールネジナット１６、上側筒部材１８および下側筒部材１９を備えている。

ボールネジナットハウジング１７は、ピストンを兼ねている。すなわち、ボールネジナットハウジング１７の上側筒部材１８の上フランジ部１８ａの外周面にＯリング（シール部材）３０を設け、このＯリング（シール部材）３０をシリンダーハウジング１１の内周面にスライド自在に密着させている。

（４）ボールネジ１５
ボールネジ１５は、ボールネジナットハウジング１７のボールネジナット１６に螺合され、また、ボールネジナットハウジング１７の上側筒部材１８および下側筒部材１９に挿通されている。

（５）スプラインロッド２０
スプラインロッド２０の外周には、軸心方向に沿った軌道溝が形成されている。

スプラインロッド２０の下部は、シリンダーハウジング１１の下部カバー２１に配置された筒状部材２１ａ、２２を挿通している。スプラインロッド２０には、軸心に沿って中空部２０ａが設けられ、中空部２０ａ内にボールネジ１５が収容されている。これにより、装置の小型化が図れる。

スプラインロッド２０の上端は、パワーロック２３によりボールネジナットハウジング１７に取付けられている。

（６）シリンダーハウジング１１
シリンダーハウジング１１の上端および下端には、上部フランジ１２および下部フランジ１１ａが形成され、シリンダーハイジング１１の一部には密閉室Ｂが形成されている。

密閉室Ｂは、次のようにして形成されている。すなわち、前記のようにボールネジナットハウジング１７の上側筒部材１８の上フランジ部１８ａにＯリング３０を設け、また、下側筒部材１９の上端部１９ａと、上側筒部材１８の上フランジ部１８ａとの間にＯリング３１を介在させている。また、下側筒部材１９の貫通孔１９ｂにスプラインロッド２０を挿入し、貫通孔１９ｂとスプラインロッド２０との間にはＯリング３２を介在させている。さらに、シリンダーハウジング１１の下部に設けられた下部フランジ１１ａにパッキン３３を設け、パッキン３３はスプラインロッド２０と下部フランジ１１ａとの間に設けられている。すなわち、真円タイプのスプラインロッド２０の軌道溝にパッキン３３を配置し、グランド部をエアシールできるようにしている。

また、シリンダーハウジング１１の下端には、下部カバー２１が配置され、下部カバー２１には、多数のボール（図示略）を有する筒状部材２１ａ、２２が固定されている。

筒状部材２１ａ、２２にはスプラインロッド２０が挿入され、筒状部材２１ａ、２２の前記ボールは、スプラインロッド２０の軌道溝に嵌め込まれている。

前記の通りシリンダーハウジング１１の上端側には、上部フランジ１２が設けられ、上部フランジ１２には、モーター３が配置されている。

図２は本発明の実施の形態に係るＺ軸専用電動アクチュエーターの動作を説明する正面図である。そして、図２に示すように、スプラインロッド２０は、ボールネジ１５の正転、逆転により、ボールネジ１５に沿って昇降してワーク２の昇降および所定位置での保持が可能になる。なお、ワーク２はスプラインロッド２０の下端部に設けられた把持手段（図示略）により把持される。

（７）補助手段Ａ
補助手段Ａは、シリンダーハウジング１１の密閉室Ｂ内に加圧用エアを供給してボールネジナットハウジング１７を上方に向けて加圧してモーター３のトルクを低減させるものである。

補助手段Ａは、前記のようにピストン機能が付与されたボールネジナットハウジング１７と、密閉室Ｂと、密閉室Ｂ内に加圧エアを供給するエア供給源の供給口６と、密閉室Ｂと供給口６とを繋ぐエア配管７とを備えている。

そして、密閉室Ｂに加圧エアを供給することにより、ピストン機能を有するボールネジナットハウジング１７を上方に持ち上げる力が発生してモーター３のトルクを軽減させる。

（８）制御手段
制御手段は、モーター３をコントロールするサーボコントローラ５と、補助手段Ａのエアの圧力制御を行う電空レギュレータ８と、電空レギュレータ８およびサーボコントローラ５をコントロールするシーケンサー９を備えている。

そして、モーター３からの回転トルクを検出し、ワーク２を持ち上げるために必要な推力をシーケンサー９のＣＰＵで計算した後、アナログ信号を電空レギュレータ８（例えば、ＤＣ４〜２０ｍｍＡ）に送り、モーター３がオーバーロードにならない様に、補助手段Ａで補助する。これにより、ワーク２の荷重が変更された場合であっても、モーター３は適正な回転トルクで運転できることになる。

すなわち、シリンダーハウジング１１の密閉室Ｂに送られたエアの圧力により、ボールネジナットハウジング１７が持ち上げられる方向に力が発生することにより、その分、モーター３の負担が軽減されて必要推力を減少させることができる。このため、高負荷に対抗でき、高スピード化を実現できる。

なお、本実施の形態では、５０ｋｇや１００ｋｇ程度の重量のワーク２を持ち上げて保持できるように設計されており、例えば、モーター３の容量選定は、ワーク２の最大重量を低速で１秒間持ち上げ可能なことを条件とし、その後モーター３がオーバーロードで停止する前にエアが供給されるように、シーケンサー９で電空レギュレータ８を制御する。

２．実施の形態に係るＺ軸専用電動アクチュエーターおよび制御方法の効果
（１）シリンダーハウジング１１とボールネジナットハウジング１７との間をシールするＯリング３０をボールネジナットハウジング１７の外周に設けることにより、ボールネジナットハウジング１７にピストン機能を付与し、シリンダーハウジング１１内に加圧用エアを適宜供給してボールネジナットハウジング１７を上方に向けて加圧するため、ボールネジナットハウジング１７を上方に持ち上げる力が発生する分だけモーター３のトルクを軽減させることができる。このため、高負荷に対抗でき、高スピード化を実現することができる。

（２）ボールネジナットハウジング１７にピストン機能を付与したため、別途ピストンを設けることなく、装置の大型化を防止できる。

（３）また、ボールネジ１５、ボールネジナットハウジング１７、スプラインロッド２０およびシリンダーハウジング１１を同一鉛直線上に配置したため、装置全体の寸法が横に広がることを防ぐことができる。

（４）さらに、スプラインロッド２０に鉛直方向に長い中空部２０ａを形成し、中空部２０ａにボールネジ１５を収容しているため、ボールネジ１５がスプラインロッド２０の中空部に収容される分だけ、装置の縦方向の寸法も小さくすることができ、装置のコンパクト化が可能になる。

（５）サーボモーターのモーター３がオーバーロードにならない様に、検出された前記モーターの負荷に見合った加圧エアが供給されるように制御する制御手段を備えているため、モーター容量を小さくでき、モーター３がオーバーロードで停止することを防止でき、モーター３に過度のストレスがかかるのを防止できる。また、サーボモーター３により、モーター３自体がトルクをワークの重さにより認識できる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではない。以上の実施の形態と同一および均等の範囲内において、前記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

１ Ｚ軸専用電動アクチュエーター
２ ワーク（負荷）
３ モーター
５ サーボコントローラ
６ エア供給源の供給口
７ エア配管
８ 電空レギュラーター
９ シーケンサー
１１ シリンダーハウジング
１１ａ 下部フランジ
１２ 上部フランジ
１３ 駆動軸
１４ カップリング
１５ ボールネジ
１６ ボールネジナット
１７ ボールネジナットハウジング
１８ 上側筒部材
１８ａ 上フランジ部
１９ 下側筒部材
１９ａ 下側筒部材の上端部
１９ｂ 貫通部
２０ スプラインロッド
２０ａ 中空部
２１ 下部カバー
２１ａ 筒状部材
２２ 筒状部材
２３ パワーロック
３０〜３２ Ｏリング（シール部材）
３３ パッキン
Ａ 補助手段
Ｂ 密閉室

Claims (3)

1. ボールネジと、
   前記ボールネジを正転、逆転させるモーターと、
   前記ボールネジが螺合されるナットを有し、非回転状態で昇降可能に配置されるボールネジナットハウジングと、
   前記ボールネジナットハウジングに取り付けられるスプラインロッドと、
   前記ボールネジナットハウジングおよび前記スプラインロッドを収容するシリンダーハウジングと
   を備えており、
   前記ボールネジ、前記ボールネジナットハウジング、前記スプラインロッドおよび前記シリンダーハウジングを同一鉛直線上に配置し、
   前記シリンダーハウジングと前記ボールネジナットハウジングとの間をシールするシール部材を前記ボールネジナットハウジングの外周に設けることにより、前記ボールネジナットハウジングにピストン機能を付与し、
   前記ボールネジを正転、逆転させてスプラインロッドを昇降させ、かつ、前記シリンダーハウジング内に加圧用エアを適宜供給して前記ボールネジナットハウジングを上方に向けて加圧して前記モーターのトルクを低減させるように構成されていることを特徴とするＺ軸専用電動アクチュエーター。
2. 前記スプラインロッドに鉛直方向に長い中空部を形成し、前記中空部に前記ボールネジを収容していることを特徴とする請求項１に記載のＺ軸専用電動アクチュエーター。
3. 前記モーターはサーボモーターであり、
   前記モーターの負荷を検出し、前記モーターがオーバーロードにならない様に、検出された前記モーターの負荷に見合った加圧エアが供給されるように制御する制御手段を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＺ軸専用電動アクチュエーター。

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