JP2013221599A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】可動体が高速で移動し且つ急激に加速又は減速される場合でも、搭載物を搭載して移動中の可動体に微振動が生じにくいアクチュエータを提供する。
【解決手段】アクチュエータは、モータ９により回転駆動される駆動プーリ１と、従動プーリ２と、両プーリ１，２の間に掛け渡された無端ベルト３と、案内レール４と、無端ベルト３の回転に伴って案内レール４に沿って直線移動する可動体５と、を備え、可動体５と無端ベルト３が可動体５の中心で接続されている。可動体５の幅方向左側面には、搭載物１１を搭載するための搭載部６が設けられており、幅方向右側面には、バランスウェイト１２を設置するためのアーム７が設けられている。そして、アーム７の先端部にバランスウェイト１２を設置して可動体５の重心の位置を調整することにより、搭載物１１、バランスウェイト１２、及びアーム７を含む可動体５全体の重心４０を、可動体５の駆動点３０に一致させる。
【選択図】図３

Description

本発明はアクチュエータに関する。

例えば製造装置には、ワークを移動させるために直線案内軸受装置が備えられており、このような直線案内軸受装置に好適に用いられるアクチュエータが、特許文献１，２に開示されている。
特許文献１，２に開示のアクチュエータは、図５に示すように、軸方向に延びる直線状の案内レール１０４と、空気軸受等の軸受１１０を介して案内レール１０４に取り付けられた可動体１０５と、モータ等の駆動装置により回転駆動される駆動プーリ（図示せず）と、回転自在に支持された従動プーリ（図示せず）と、駆動プーリと従動プーリとの間に掛け渡された無端ベルト１０３と、を備えている。そして、この可動体１０５には、ワーク等の搭載物１１１を搭載することが可能となっている。

無端ベルト１０３は可動体１０５に接続されているため、駆動装置による動力が無端ベルト１０３を介して可動体１０５に伝達され、可動体１０５が案内レール１０４に沿って軸方向に直線移動するようになっている。このとき、可動体１０５と無端ベルト１０３は、通常は可動体１０５の重心位置１２０（搭載物１１１を含まない可動体１０５単体の重心位置）において接続されている。
すなわち、搭載物１１１が搭載されていない状態においては、駆動装置による動力が付与される可動体１０５の駆動点１３０と、可動体１０５の中心（点対称中心）とが一致している。そのため、可動体１０５の直線移動の加減速時に無端ベルト１０３の動力により可動体１０５に無用なモーメントが発生することが抑制されるので、可動体１０５の微振動が生じにくい。

特開２００８−１０１６４２号公報 特開２００１−２４８７０３号公報

しかしながら、可動体１０５に搭載物１１１を搭載すると、搭載物１１１を含む可動体１０５の重心１４０が移動し、その位置は、可動体１０５単体の重心１２０よりも搭載物１１１に近い位置となる。例えば、図５のように、案内レール１０４を軸方向端部側から見た場合の左側面に搭載物１１１を搭載すると、重心が可動体１０５の中心から左方向に移動する。その結果、可動体１０５の駆動点１３０と、搭載物１１１を含む可動体１０５の重心１４０とが一致しない状態となる。

すると、可動体１０５の直線移動の加減速時に無端ベルト１０３の動力により可動体１０５に無用なモーメントが発生して、移動中の可動体１０５に微振動が生じることとなるため、振動抑制が求められていた。特に、高精度用途のアクチュエータの場合は、可動体１０５に生じた微振動が搭載物１１１に悪影響を及ぼすおそれがあるため、振動抑制のさらなる向上が求められていた。

発生したモーメントに耐えて可動体１０５が振動しないようにする方法としては、可動体１０５と案内レール１０４の間に介装された軸受１１０の負荷容量を向上させる方法があるが、そうすると軸受１１０のサイズが大きくなって可動体１０５の質量が増大するため、駆動装置の容量が増大するという問題があった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、可動体が高速で移動し且つ急激に加速又は減速される場合でも、搭載物を搭載して移動中の可動体に微振動が生じにくいアクチュエータを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の態様は次のような構成からなる。すなわち、本発明の一態様に係るアクチュエータは、軸方向に延びる案内レールと、前記案内レールに沿って軸方向に直線移動可能に前記案内レールに取り付けられた可動体と、前記可動体の中心又は中心近傍部分に動力を付与して前記可動体を直線移動させる駆動部と、を備え、前記可動体に搭載物を搭載して直線移動させるアクチュエータであって、前記可動体の重心の位置を調整して、前記搭載物を搭載した際の前記可動体の重心を、前記動力が付与される駆動点に一致させるバランスウェイトを備えることを特徴とする。

このようなアクチュエータにおいては、前記可動体は、前記搭載物を搭載するための搭載部を幅方向一側面に有するとともに、前記バランスウェイトを設置するためのバランスウェイト設置部を幅方向他側面に有することが好ましい。
また、前記バランスウェイト設置部は、前記可動体の幅方向他側面から幅方向外側に延びるアームを備え、前記アームの先端部に設置される前記バランスウェイトは前記搭載物よりも軽量であることが好ましい。

本発明のアクチュエータは、可動体の重心の位置を調整して、搭載物を搭載した際の可動体の重心を、動力が付与される駆動点に一致させるバランスウェイトを備えているので、可動体が高速で移動し且つ急激に加速又は減速される場合でも、搭載物を搭載して移動中の可動体に微振動が生じにくい。

本発明の一実施形態に係るアクチュエータの構造を示す断面図である。 図１のアクチュエータの側面図である。 図１のアクチュエータの要部拡大断面図である。 変形例のアクチュエータの構造を示す要部拡大断面図（軸方向に直交する平面で切断した断面図）である。 従来のアクチュエータの構造を示す要部拡大断面図（軸方向に直交する平面で切断した断面図）である。

本発明に係るアクチュエータの実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るアクチュエータの構造を示す図であり、軸方向に沿う水平面で切断した断面図である。また、図２は、図１のアクチュエータの側面図である。さらに、図３は、図１のアクチュエータが備える可動体及びその周辺部分を拡大して示した図であり、軸方向に直交する平面で切断した断面図である。
本実施形態に係るアクチュエータは、モータ９により回転駆動される駆動プーリ１と、回転自在に支持された従動プーリ２と、駆動プーリ１と従動プーリ２との間に掛け渡された環状の無端ベルト３と、軸方向に延びる案内レール４と、無端ベルト３の回転に伴って案内レール４に沿って軸方向に直線移動する可動体５と、を備えている。

以下に、本実施形態に係るアクチュエータの構造を、さらに詳細に説明する。図１，２に示すように、フレームの機能を兼ねる案内レール４の両端には、プーリハウジング１３，１４が設けられている。図１，２においては右側に配されたプーリハウジング１３は、駆動プーリ１を収容しており、さらにモータ９が取り付けられている。このモータ９の回転軸は、水平且つ案内レール４の軸線（軸方向）に直交する方向に延びており、その先端には駆動プーリ１がカップリング９ａを介して取り付けられている。一方、図１，２においては左側に配されたプーリハウジング１４は、従動プーリ２を収容しており、従動プーリ２を回転自在に支持している。

そして、駆動プーリ１と従動プーリ２との間には、案内レール４に沿う方向（軸方向）に無端ベルト３が掛け渡されている。そのため、プーリハウジング１３，１４は、無端ベルト３を挿通する貫通孔（図示せず）を有する。無端ベルト３の表面（内周面）には、周方向に沿って並ぶ複数の歯（図示せず）が形成されており、駆動プーリ１及び従動プーリ２の外周面に形成された歯（図示せず）と噛み合わされている。そのため、無端ベルト３は、駆動プーリ１の回転により回転駆動されるようになっている。

また、可動体５は無端ベルト３に接続されているとともに、案内レール４に直線移動可能に係合されているので、無端ベルト３の回転に伴って可動体５は案内レール４に案内されて軸方向に直線移動可能となっている。
ここで、可動体５及び案内レール４について、さらに詳細に説明する。案内レール４の形状は特に限定されるものではないが、図３に示すように、略Ｕ字状であることが好ましい。すなわち、案内レール４は、軸方向に延びる帯状の底壁２１と該底壁２１の幅方向両側部から垂直に立ち上がる一対の側壁２２，２２とからなり、軸方向に直交する平面で切断した断面は略Ｕ字状をなしている。なお、本発明においては、軸方向に直交し且つ鉛直方向に直交する方向を幅方向と記す。

一方、可動体５の形状は、案内レール４に係合する形状であれば特に限定されるものではないが、案内レール４が上記のような断面略Ｕ字状である場合は、案内レール４を内包できるような四角筒状であることが好ましい。可動体５が、案内レール４を内包するような形状をなしていれば、無端ベルト３の摩耗粉の落下を防ぐことができる。
すなわち、可動体５は、案内レール４の底壁２１に対向する底板３１と、案内レール４の側壁２２，２２の外側面にそれぞれ対向する側板３２，３２と、案内レール４の側壁２２，２２の上面にそれぞれ対向する頂板３３と、が連結してなる四角筒状の部材である。このように、可動体５は、案内レール４を内包するようにして、案内レール４に係合されている。

また、可動体５の底板３１と、側板３２，３２と、頂板３３との案内レール４に対向する各内面には、気体を噴出する噴出口が設置されている。すなわち、可動体５と案内レール４との間に気体軸受が形成されている。気体の種類は特に限定されるものではないが、空気が好ましい。また、本実施形態とは逆に、案内レール４の外面に気体を噴出する噴出口を設置してもよい。本実施形態においては、図３に示すように、例えばグラファイト多孔質で形成された板状の静圧パッド１０が、噴出口として配置されている。

静圧パッド１０には、図示しない空気源から圧縮空気が供給されるため、静圧パッド１０から案内レール４の外面に向かって噴出された空気の圧力によって、案内レール４に対し可動体５がわずかに離隔するようになる。そのため、可動体５は殆ど摩擦なく移動できるようになっている。なお、気体軸受を設ける代わりに、可動体５と案内レール４との間にすべり軸受や転がり軸受を設けてもよい。

さらに、無端ベルト３と可動体５との接続は、固定具１６により行われている。すなわち、固定具１６を介して、無端ベルト３の一部分が可動体５に固定されている。より詳細に説明すると、固定具１６は、可動体５の頂板３３の内面に慣用の固着手段により取り付けられていて、頂板３３の内面から可動体５の中心（点対称中心）まで、内方に向かって突出するように延びている。そして、固定具１６のうち可動体５の中心に位置する部分に、無端ベルト３がボルト，接着等の慣用の固着手段により固定されている。
可動体５の中心は可動体５の重心２０（可動体５単体の重心）であるので、無端ベルト３と固定具１６の連結位置、すなわち、無端ベルト３により動力が付与される駆動点３０は、可動体５の重心２０と一致していることになる。

さらに、可動体５は、ワーク、測定装置等の搭載物１１を搭載するための搭載部６を備えている。よって、可動体５に搭載物１１を搭載して直線移動させることにより、アクチュエータが搭載物１１を移動、運搬することができるようになっている。
さらに、可動体５は、搭載物１１を搭載した際の可動体５の重心の位置を調整するバランスウェイト１２と、バランスウェイト１２を設置するためのバランスウェイト設置部７と、を備えている。
本実施形態においては、図３に示すように、案内レール４を軸方向端部側から見た場合の可動体５の幅方向左側面に搭載物１１の搭載部６が設けられており、幅方向右側面にバランスウェイト設置部７が設けられている。搭載部６とバランスウェイト設置部７の設置箇所は、左右逆でもよいことは勿論である。

バランスウェイト設置部７の構造は特に限定されるものではないが、可動体５の幅方向側面から幅方向外側に延びるアーム７とすることができる。図３の例では、２つの板状部が直角をなして連続する断面Ｌ字状の部材を、可動体５の幅方向右側面に取り付けることにより、アーム７を構成している。すなわち、断面Ｌ字状の部材の一方の板状部の端部を可動体５の幅方向右側面に取り付けることによって、幅方向右側面から上方に延び、そこから直角に屈曲して幅方向外側に水平に延びるアーム７を構成している。断面Ｌ字状の部材の他方の板状部が水平をなしていて、その端部にバランスウェイト１２を設置することが可能となっている。
ここで、バランスウェイト１２による重心の位置の調整について、図３を参照しながら詳細に説明する。

搭載物１１が搭載されていない状態においては、可動体５の重心は可動体５の中心にあり、駆動点３０と一致しているが、搭載物１１を搭載部６に搭載すると、搭載物１１を含む可動体５全体の重心が移動し、その位置は、可動体５単体の重心２０よりも搭載物１１に近い位置となる。その結果、可動体５の駆動点３０と、搭載物１１を含む可動体５全体の重心とが一致しない状態となるため、可動体５の直線移動の加減速時に無端ベルト３の動力により可動体５に無用なモーメントが発生して、移動中の可動体５に微振動が生じることとなる。

そこで、駆動点３０を挟んで搭載物１１とは幅方向反対側にバランスウェイト１２を設置することによってバランスを取り、搭載物１１、バランスウェイト１２、及びアーム７を含む可動体５全体の重心４０が可動体５の中心に位置するようにし、可動体５の駆動点３０と一致させる。そうすれば、可動体５が高速で移動し且つ急激に加速又は減速される場合でも、無端ベルト３の動力により可動体５に無用なモーメントが発生することが抑制されるので、搭載物１１を搭載して移動中の可動体５に微振動が生じにくい。したがって、可動体５に搭載された搭載物１１に対して微振動の悪影響が及ぶおそれはほとんどない。

特に、減衰性の低い気体軸受は振動を吸収する能力が低いので、可動体５が案内レール４に気体軸受により支持されている場合は、微振動の抑制は非常に重要である。
また、無用なモーメントが発生することが抑制されるので、可動体５の振動を抑えるために気体軸受の負荷容量を大きくする必要がない。その結果、気体軸受を小型化できるため、可動体５全体の質量を低減できることに加えて、モータ９の容量を小さくすることができる。

バランスウェイト１２及びアーム７の合計の質量を搭載物１１の質量と同一とし、バランスウェイト１２及びアーム７の全体の重心４１と駆動点３０との間の距離を、搭載物１１の重心４２と駆動点３０との間の距離と同一とすれば、搭載物１１、バランスウェイト１２、及びアーム７を含む可動体５全体の重心４０を、可動体５の駆動点３０と一致させることができる。

ただし、その場合は、搭載物１１、バランスウェイト１２、及びアーム７を含む可動体５全体の質量が大きくなるため、モータ９の容量を大きくする必要性が生じるおそれがある。そこで、可動体５全体の質量を抑えるために、アーム７を幅方向外側に延ばし、バランスウェイト１２が設置されるアーム７の先端部を、可動体５からより離れた位置にすることが好ましい。

その場合には、搭載物１１の重心４２と駆動点３０とを結んだ直線の延長線上に、バランスウェイト１２及びアーム７の全体の重心４１が位置するようにする。さらに、搭載物１１の質量をＭ１、搭載物１１の重心４２と駆動点３０との間の距離をＬ１、バランスウェイト１２及びアーム７の合計の質量をＭ２、バランスウェイト１２及びアーム７の全体の重心４１と駆動点３０との間の距離をＬ２としたときに、質量Ｍ１と距離Ｌ１の積Ｍ１×Ｌ１と、質量Ｍ２と距離Ｌ２との積Ｍ２×Ｌ２が同一となるように、バランスウェイト１２の質量を設定する。

そうすれば、搭載物１１よりも軽量のバランスウェイト１２を用いて、搭載物１１、バランスウェイト１２、及びアーム７を含む可動体５全体の重心４０を、可動体５の駆動点３０と一致させることができ、搭載物１１、バランスウェイト１２、及びアーム７を含む可動体５全体の質量を抑えることができる。つまり、バランスウェイト１２が設置されるアーム７の先端部が、可動体５から離れるほど、バランスウェイト１２の質量を小さくすることができる。

次に、本実施形態に係るアクチュエータの動作について説明する。まず、図示しない空気源から各静圧パッド１０に供給された圧縮空気によって、案内レール４に対し可動体５がわずかに離隔した状態に維持される。ここで、モータ９が駆動プーリ１を駆動すると、無端ベルト３を介して、案内レール４に沿って可動体５が殆ど摩擦なく移動される。そして、駆動プーリ１の駆動を制御することにより、案内レール４の両端間で可動体５を往復直線運動させることができる。

このようなアクチュエータは、製造装置，検査装置，搬送装置等に備えられる直線案内軸受装置において好適に使用可能であり、特に、可動体が高速で移動し且つ急激に加速又は減速される条件でアクチュエータが運転されても、可動体の高精度且つ安定した直線移動が求められる各種装置に対して好適である。
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
例えば、本実施形態においては、駆動部をモータ９、プーリ１，２、及び無端ベルト３により構成したが、例えばボールねじ、リニアモータ等で構成しても差し支えない。

また、本実施形態においては、バランスウェイト１２の設置によって、搭載物１１、バランスウェイト１２、及びアーム７を含む可動体５全体の重心４０を、可動体５の中心に位置する駆動点３０と一致させたが、搭載物１１、バランスウェイト１２、及びアーム７を含む可動体５全体の重心４０が、可動体５の駆動点３０と一致しているならば、この駆動点３０は可動体５の中心と一致していなくてもよい。すなわち、駆動点３０は、可動体５の中心から若干離れた中心近傍部分に位置していてもよい。
例えば、無端ベルト３の寸法や配置位置の都合により、可動体５の中心よりも上方の位置に駆動点３０を配置せざるを得ない場合の変形例について、図４を参照しながら説明する。なお、図４においては、図３と同一又は相当する部分には、図３と同一の符号を付してある。

可動体５の頂板３３の中央部の上に、上方に延びる第二のアーム８を設けて、第二のアーム８上に第二のバランスウェイト１７を設置することにより、搭載物１１、第一及び第二のバランスウェイト１２，１７、並びに、第一及び第二のアーム７，８を含む可動体５全体の重心４０を、第二のアーム８及び第二のバランスウェイト１７を用いない場合の重心よりも上方に移動させている。これにより、可動体５全体の重心４０を、可動体５の駆動点３０と一致させている。

また、第二のバランスウェイト１７を駆動点３０から離れた位置に設置しているため、その分だけ第二のバランスウェイト１７の質量を小さくすることができる。よって、搭載物１１、第一及び第二のバランスウェイト１２，１７、並びに、第一及び第二のアーム７，８を含む可動体５全体の質量を軽減することができる。
さらに、無端ベルト３は、帯状のベルトの両端を継ぎ合わせて無端状としたものでもよい。

１ 駆動プーリ
２ 従動プーリ
３ 無端ベルト
４ 案内レール
５ 可動体
６ 搭載部
７，８ アーム
９ モータ
１１ 搭載物
１２，１７ バランスウェイト
２０ 可動体単体の重心
３０ 駆動点
４０ 可動体全体の重心

Claims (3)

1. 軸方向に延びる案内レールと、前記案内レールに沿って軸方向に直線移動可能に前記案内レールに取り付けられた可動体と、前記可動体の中心又は中心近傍部分に動力を付与して前記可動体を直線移動させる駆動部と、を備え、前記可動体に搭載物を搭載して直線移動させるアクチュエータであって、
   前記可動体の重心の位置を調整して、前記搭載物を搭載した際の前記可動体の重心を、前記動力が付与される駆動点に一致させるバランスウェイトを備えることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記可動体は、前記搭載物を搭載するための搭載部を幅方向一側面に有するとともに、前記バランスウェイトを設置するためのバランスウェイト設置部を幅方向他側面に有することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記バランスウェイト設置部は、前記可動体の幅方向他側面から幅方向外側に延びるアームを備え、前記アームの先端部に設置される前記バランスウェイトは前記搭載物よりも軽量であることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。

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