JP2013249935A - 送り装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被駆動部材のリードを変化させることができる送り装置を提供する。
【解決手段】本発明の送り装置は、第一のねじ１１及び第一のギヤ１２を一体に有し、一定の軸線６ａの回りを回転可能であると共に軸方向に移動可能な移動軸６と、移動軸６の第一のねじ１１に噛み合う第二のねじ１４を有し、一定の軸線の回りを回転可能な第一の駆動軸４と、移動軸６の第一のギヤ１２に噛み合う第二のギヤ８を有し、一定の軸線の回りを回転可能な第二の駆動軸５と、第一の駆動軸４を回転させる第一の駆動源２１と、第二の駆動軸５を回転させる第二の駆動源２２と、を備える。第一の駆動源２１が第一の駆動軸４を回転させ、第二の駆動源２２が第二の駆動軸５を回転させることによって、移動軸６が回転しながら軸方向に移動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステージ等の被駆動部材を直線運動させる送り装置に関する。

従来の典型的な送り装置として、ボールねじを用いてベースに対してステージを直線運動させる送り装置が知られている。送り装置のベースには、ねじ軸が軸線の回りを回転可能に支持される。ベースには、ステージ等の被駆動部材が一方向に移動可能に支持される。ステージには、ボールねじのナットが取り付けられる。モータがねじ軸を軸線の回りに回転させると、ナットが軸方向に直線運動し、ナットに取り付けられるテーブルが軸方向に直線運動する。ねじ軸の溝とナットの溝との間にボールを入れたボールねじを使用すると、ボールが転がり運動するので、摩擦が低減し、効率がよいという利点がある。しかし、ボールねじを成立させるためには、ねじ軸及びナットのリードをボール径よりも大きくする必要があり、微少送りするのが困難であるという課題がある。

微少送りに適した直動機構として、特許文献１に記載の微少・早送り装置が知られている。この微少・早送り装置は、三本の平行な第一、第二、及び第三の軸を備える。第一、第二、及び第三の軸は、ベースに回転可能にかつ軸方向に移動不可能に支持される。第一、第二、及び第三の軸それぞれにはギヤが設けられる。モータが第一の軸を回転させると、第一の軸の回転が第二の軸を介して第三の軸に伝達するようになっている。第一の軸と同方向に第三の軸を回転させたり、第一の軸と逆方向に第三の軸を回転させたりできるように、ギヤ列にはアイドリングギヤが組み込まれる。

第三の軸には、キーを介してねじ軸が軸方向に移動可能に設けられる。このねじ軸は、第一の軸に設けられるねじに噛み合っている。そして、第一の軸と第三の軸に設けられるねじ軸とが互いに逆方向に回転すると、第一の軸のねじのリードとねじ軸のリードの差の分だけ、ねじ軸が一方向に微少移動する。また、第一の軸と第三の軸に設けられるねじ軸とが互いに同方向に回転すると、第一の軸のねじのリードとねじ軸のリードの和の分だけ、ねじ軸が反対方向に早送り移動できるようになっている。すなわち、第一の軸と第三の軸とが逆方向に回転すると、ねじ軸が一方向に微少リードで直線運動し、アイドリングギヤを噛ませて第一の軸と第三の軸とを同方向に回転させると、ねじ軸が反対方向に大リードで直線運動するようになっている。ねじ軸には、ステージ等の被駆動部材が取り付けられており、被駆動部材を一方向に微少リードで直線運動させ、反対方向に大リードで直線運動させることができる。

特開２００４−１００８３８号公報

以上のように、特許文献１に記載の微少・早送り装置にあっては、被駆動部材を一方向に移動させている間と被駆動部材を反対方向へ移動させる間とで、被駆動部材のリード（第一の軸の一回転当たりの被駆動部材の軸方向の移動量）を変化させることができる。しかし、被駆動部材を一方向に移動させている間において、又は被駆動部材を反対方向に移動させている間において、被駆動部材のリードを変化させることができないという課題がある。例えば、工作機械に組み込まれる送り装置には、コンタリング精度（輪郭再現性）とタクトタイム低減の両立の必要性から、被駆動部材を一方向に移動させている間においても、被駆動部材のリードを変化させることができることが要請されている。微小リードでは加工時の分解能を上げることができるが、移動時の速度が犠牲になる。

そこで、本発明は、被駆動部材のリードを変化させることができる送り装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、第一のねじ又は第一の環状溝、及び第一のギヤを一体に有し、一定の軸線の回りを回転可能であると共に軸方向に移動可能な移動軸と、前記移動軸の前記第一のねじ又は前記第一の環状溝に噛み合う第二のねじ又は第二の環状溝を有し、一定の軸線の回りを回転可能な第一の駆動軸と、前記移動軸の前記第一のギヤに噛み合う第二のギヤを有し、一定の軸線の回りを回転可能な第二の駆動軸と、前記第一の駆動軸を回転させる第一の駆動源と、前記第二の駆動軸を回転させる第二の駆動源と、を備え、前記第一の駆動源が前記第一の駆動軸を回転させ、前記第二の駆動源が前記第二の駆動軸を回転させることによって、前記移動軸が回転しながら軸方向に移動する送り装置である。

本発明によれば、第一の駆動源が第一の駆動軸を回転させ、第二の駆動源が第二の駆動軸を回転させることによって、移動軸が回転しながら軸方向に移動する。移動軸のリードは、第一の駆動軸の回転数及び第二の駆動軸の回転数に応じて決定される。第一及び第二の駆動軸の角速度を制御することにより、移動軸のリードを変化させることができる。

本発明の第一の実施形態の送り装置の模式平面図 本発明の第一の実施形態の送り装置の移動軸の他の例の側面図（環状溝を形成した例） 本発明の第二の実施形態の送り装置の模式断面図 本発明の第二の実施形態の送り装置の主要部の斜視図（一部断面図を含む） 本発明の第三の実施形態の送り装置の模式斜視図

以下添付図面に基づいて、本発明の実施形態の送り装置を説明する。図１は本発明の第一の実施形態の送り装置の平面図を示す。本実施形態の送り装置は、ベースに対してステージ２を一方向に直線運動させる。ベースは、平行に配置された一対の支持プレート１ａ，１ｂを備える。ベースの支持プレート１ａ，１ｂ間には、第一の駆動軸４、第二の駆動軸５、及び移動軸６が回転可能に支持される。第一の駆動軸４、第二の駆動軸５、及び移動軸６は互いに平行である。

第一の駆動軸４は第一の軸線４ａの回りを回転可能にかつ軸方向に移動不可能にベースに支持される。第二の駆動軸５は第二の軸線５ａの回りを回転可能にかつ軸方向に移動不可能にベースに支持される。第二の駆動軸５は、スプライン軸７と、スプライン軸７に軸方向に移動可能に支持される第二のギヤ８と、を備える。第二のギヤ８は、スプライン軸７に滑動可能に支持されていて、スプライン軸７の回転によりトルクが伝達される。移動軸６は、第三の軸線６ａの回りを回転可能にかつ軸方向に移動可能に設けられる。移動軸６は中空に形成される。移動軸６には、支持プレート１ａ，１ｂに結合された支持軸９が挿通される。移動軸６の内側と支持軸９の外側との間には、ブッシュ又は回転・直線が可能な転がり軸受（例えばＴＨＫ社製のＬＭストローク）が設けられる。移動軸６は支持軸９を介してベースに支持される。第一の駆動軸４の第一の軸線４ａ、第二の駆動軸５の第二の軸線５ａ、及び移動軸６の第三の軸線６ａは互いに平行であり、所定距離だけ離れている。

移動軸６には、第一のねじ１１及び第一のギヤ１２が一体に形成される。第一のねじ１１と第一のギヤ１２は結合されており、同時に回転する。第一の駆動軸４の外周面には、第二のねじ１４が形成される。移動軸６の第一のねじ１１は第一の駆動軸４の第二のねじ１４に噛み合う。第一のねじ１１と第二のねじ１４を噛み合わせるために、第一のねじ１１のピッチと第二のねじ１４のピッチは等しい。移動軸６の第一のギヤ１２は、第二の駆動軸５の第二のギヤ８に噛み合う。第一のギヤ１２と第二のギヤ８を噛み合わせるために、第一のギヤ１２のモジュールと第二のギヤ８のモジュールとは等しい。第一のギヤ１２及び第二のギヤ８には、歯筋が移動軸６の軸線と平行な平歯車、又は歯筋が移動軸の軸線に対して傾斜しているはすば歯車等を用いることができる。移動軸６の第一のギヤ１２と第一の駆動軸４の第二のねじ１４とが干渉しないように、第一のギヤ１２の外径は第一のねじ１１の外径よりも小さくなっている。

第一及び第二のギヤ１２，８の歯数は、同じ場合も異なっている場合もある。第一及び第二のねじ１１，１４のリードは、同じ場合も異なっている場合もある。第一及び第二のねじ１１，１４のねじれ方向は、同じ場合も異なっている場合もある。第一及び第二のねじ１１，１４のねじれ方向が異なっている場合、第一のねじ１１が右ねじであれば、第二のねじ１４は左ねじであり、第一のねじ１１が左ねじであれば、第二のねじ１４は右ねじである。移動軸６のリードを小さくしたい場合には、第一及び第二のねじ１１，１４のねじれ方向が異なっている場合が選択され、移動軸６のリードを大きくしたい場合には、第一及び第二のねじ１１，１４のねじれ方向が同じ場合が選択される。

移動軸６は、ベアリング１７ａ，１７ｂ（図中破線で示す）を介してステージ２に第三の軸線６ａの回りを回転可能に取り付けられる。ステージ２が移動軸６と一緒に軸方向に移動できるように、移動軸６はステージ２に軸方向に移動不可能に取り付けられる。第二の駆動軸５の第二のギヤ８は、ベアリング１８ａ，１８ｂ（図中破線で示す）を介してステージ２に第二の軸線５ａの回りを回転可能に取り付けられる。第二のギヤ８はステージ２に軸方向に移動不可能に取り付けられる。移動軸６が軸方向に移動するとき、第二のギヤ８が第一のギヤ１２と噛み合いを保てるように、第二のギヤ８は移動軸６の第一のギヤ１２と一緒に軸方向に移動する。

第一の駆動軸４には、第一の駆動源としての第一のサーボモータ２１が連結される。第二の駆動軸５には、第二の駆動源としての第二のサーボモータ２２が連結される。第一及び第二のサーボモータ２１，２２は、図示しない第一及び第二のドライバによって角速度が制御可能になっている。

本実施形態の送り装置の作動原理は以下のとおりである。まず、分かり易くするために、第一及び第二のねじ１１，１４のリードが同じで、ねじれ方向が異なる場合について説明する。第二のサーボモータ２２が第二の駆動軸５を回転させると、第一のギヤ１２が第二のギヤ８に噛み合っているので、移動軸６が第二の駆動軸５とは反対方向に回転する。このとき、移動軸６は、第一のギヤ１２と第二のギヤ８の増速比（第二のギヤ８の歯数／第一のギヤ１２の歯数）の角速度で回転する。例えば、第一のギヤ１２と第二のギヤ８の増速比が２だとすると、移動軸６は第二の駆動軸５の２倍の角速度で回転する。

第一のサーボモータ２１が第一の駆動軸４を増速比の角速度、例えば第二の駆動軸５の２倍の角速度で第一の駆動軸４を回転させると、第一の駆動軸４の角速度と移動軸６の角速度が等しくなる。第一の駆動軸４の角速度と移動軸６の角速度が等しいと、第一及び第二のねじ１１，１４のリードが同じなので、第一の駆動軸４の移動量と移動軸６の移動量に差が生じず、移動軸６の軸方向の変位は起こらない。これが移動軸６のリードが零の状態である。

しかし、第一のサーボモータ２１が第一の駆動軸４を増速比以外の角速度で第一の駆動軸４を回転させると、第一の駆動軸４の角速度と移動軸６の角速度が異なる。こうなると、第一の駆動軸４の移動量と移動軸６の移動量に差が生ずる。第一の駆動軸４は軸方向に移動不可能に支持され、移動軸６は軸方向に移動可能に支持されているので、第一の駆動軸４の軸方向の移動量と移動軸６の軸方向の移動量の差分だけ、移動軸６が軸方向に移動する。第一の駆動軸４の角速度と移動軸６の角速度の差を小さくすればするほど、移動軸６のリードが小さくなり、第一の駆動軸４の角速度と移動軸６の角速度の差を大きくすればするほど、移動軸６のリードが大きくなる。したがって、第一のサーボモータ２１と第二のサーボモータ２２の角速度を制御することにより、無段階にリードを変化させることができる。

第一及び第二のねじ１１，１４のリードを異ならせたり、ねじれ方向を同一にしたり、第一及び第二のギヤ１２，８の歯数を同一にしたりしたときも同様に、第一の駆動軸４の軸方向の移動量と移動軸６の軸方向の移動量との差分だけ、移動軸６が軸方向に移動する。

図２は、移動軸６にねじの替わりに環状溝１１´を形成した例を示す。移動軸６の環状溝１１´は第一の駆動軸４の第二のねじ１４と等しいピッチで軸方向に複数形成されている。環状溝１１´の谷径φ１及び外径φ２は、第一の駆動軸４の第二のねじ１４のそれと等しい。環状溝１１´は第一の駆動軸４の第二のねじ１４と噛み合っている。環状溝１１´はリードが零のねじとみなすことができる。

本実施形態の送り装置によれば、以下の効果を奏する。第一及び第二サーボモータ２１，２２を制御することにより、精度を高めた移動軸６の微少送りと、速度を高めた移動軸６の早送りとを両立させることができる。例えば、送り装置をプレス機に組み込む場合、可動金型が固定金型から離れているときは可動金型を高速度で移動させてタクトタイムの低減を図り、可動金型が固定金型に接触する直前（型締めする直前）には微少リードで可動金型を移動させ、高精度に型締めすることが可能になる。

第二のギヤ８がスプライン軸７に沿って移動可能とすることで、移動軸６の第一のギヤ１２が軸方向に移動しても、移動軸６の第一のギヤ１２と第二のギヤ８との噛合いを保つことができる。

移動軸６を微少リードで軸方向に移動させることが可能なので、セルフロック（移動軸６の軸方向の移動から第一の駆動軸４を回すことのできない状態）を作り出すことが可能になる。また、移動軸の第一のねじ１１と第一の駆動軸の第二のねじ１４とが滑りの少ない転がり運動をするので、正効率を高めることができる。したがって、高い正効率とセルフロック可能な低逆効率を両立させることができる。さまざまな分野で使用されている送り装置は、電源オフ時の移動軸６の保持を要求される場合がある。セルフロック可能な従来の直動機構として、台形ねじ、及びウォームギヤが知られているが、これらは正効率が２０〜３０％と低く、大型のモータを必要とするという問題がある。他にも、ボールねじに無励磁ブレーキ付きのモータを組み合わせた例も知られているが、小型化が難しい、ブレーキタイミングが遅れるという問題がある。本実施形態の直動機構によれば、これらの問題を解決することができる。図２に示すように、移動軸６にリード零の環状溝１１´を形成した場合には、セルフロックをより高めることができる。

図３は、本発明の第二の実施形態の送り装置を示す。この実施形態の送り装置は、第一の駆動軸３１および第二の駆動軸３２を中空にし、第一及び第二のサーボモータを第一及び第二の中空モータ３３，３４としている点を特徴とする。第一及び第二の中空モータ３３，３４で中空の第一及び第二の駆動軸３１，３２を回転させている。

第一の駆動軸３１は、ハウジング３５（図中斜線で示す）にベアリング３７ａ，３７ｂを介して第一の軸線３１ａの回りを回転可能にかつ軸方向に移動不可能に支持される。第一の駆動軸３１の内周面には、雌ねじ３９が一体に形成される。

第一の中空モータ３３は、コイルを有するステータ３３ａと、マグネットを有するロータ３３ｂと、を備える。ステータ３３ａはハウジング３５に結合され、ロータ３３ｂは第一の駆動軸３１に結合される。

第二の駆動軸３２は、第一の駆動軸３１にベアリング４１ａ，４１ｂを介して第二の軸線３２ａの回りを回転可能にかつ軸方向に移動不可能に支持される。第一の軸線３１ａと第二の軸線３２ａは一致する。環状の第二の駆動軸３２の内周面には、第二のギヤ（内歯車）４４が一体に形成される。

第二の中空モータ３４は、コイルを有するステータ３４ａと、マグネットを有するロータ３４ｂと、を備える。ステータ３４ａはハウジング３５に結合され、ロータ３４ｂは第二の駆動軸３２に結合される。

図４は第二の実施形態の主要部の構成図（斜視図）を示す。移動軸４１は、第一の雄ねじ４２及び第一のギヤ４３（外歯車）を一体に結合してなる。図３に示すように、移動軸４１は、ハウジング３５に第三の軸線４１ａの回りを回転可能にかつ軸方向に移動可能に支持される。移動軸４１と第一の駆動軸３１とは偏心しており、移動軸４１の第一の雄ねじ４２と第一の駆動軸３１の第二の雌ねじ３９が噛み合う。移動軸４１と第二の駆動軸３２とは偏心しており、移動軸４１の第一のギヤ４３（外歯車）と第二の駆動軸３２の第二のギヤ４４（内歯車）とが噛み合う。第一のギヤ４３及び第二のギヤ４４はいずれも歯筋が移動軸４１の軸線と平行な平歯車である。

第一の中空モータ３３が第一の駆動軸３１を回転させ、第二の中空モータ３４が第二の駆動軸３２を回転させることによって、移動軸４１が回転しながら軸方向に移動する。移動軸４１が軸方向に移動するとき、移動軸４１の第一のギヤ４３が第二の駆動軸３２の第二のギヤ４４と噛み合いを保ったまま、第二のギヤ４４に対して軸方向に移動する。第一の中空モータ３３と第二の中空モータ３４の角速度を制御することにより、無段階にリードを変化させることができる。

第二の実施形態の送り装置によれば、移動軸４１が軸方向に移動するとき、移動軸４１の第一のギヤ４３が第二の駆動軸３２の第二のギヤ４４と噛み合いを保ったまま、第二のギヤ４４に対して軸方向に移動するので、スプライン軸を不要にでき、部品点数を削減できる。また、第一及び第二の駆動軸３１，３２の内側に移動軸４１が配置されるので、送り装置の小型化を図れる。さらに、第二の雌ねじ３９と第一の雄ねじ４２との接触面積を大きくすることができるので、移動軸４１が受けられる荷重が大きくなる。

図５は、本発明の第三の実施形態の送り装置の模式図を示す。この実施形態の送り装置は、上記第一及び第二の実施形態の送り装置と同様に、移動軸５１と、第一の駆動軸５４と、第二の駆動軸５５と、を備える。この実施形態の送り装置は、第一の駆動軸５４の軸線５４ａと第二の駆動軸５５の軸線５５ａが一致することを特徴とする。

第一の駆動軸５４は、図示しないベースないしハウジングに第一の軸線５４ａの回りを回転可能に支持される。第一の駆動軸５４の外周面には、第二のねじ５４ｂが形成される。第一の駆動軸５４は第一のサーボモータ５７によって回転される。

第二の駆動軸５５は、図示しないベースないしハウジングに第二の軸線５５ａの回りを回転可能に支持される。第二の軸線５５ａは第一の軸線５４ａに一致する。第二の駆動軸５５の外周面には、第二のギヤ５５ｂが形成される。第二の駆動軸５５は第二のサーボモータ５８によって回転される。

移動軸５１には、第一のねじ５２及び第一のギヤ５３が一体に形成される。移動軸５１は、図示しないベースないしハウジングに第三の軸線５１ａの回りを回転可能にかつ軸方向に移動可能に支持される。移動軸５１の第一のねじ５２は、第一の駆動軸５４の第二のねじ５４ｂと噛み合う。移動軸５１の第一のギヤは５３、第二の駆動軸５５の第二のギヤ５５ｂに噛み合う。

第一のサーボモータ５７が第一の駆動軸５４を回転させ、第二のサーボモータ５８が第二の駆動軸５５を回転させることによって、移動軸５１が回転しながら軸方向に移動する。移動軸５１が軸方向に移動するとき、移動軸５１の第一のギヤ５３が第二の駆動軸５５の第二のギヤ５５ｂと噛み合いを保ったまま、第二のギヤ５５ｂに対して軸方向に移動する。第一のサーボモータ５７と第二のサーボモータ５８の角速度を制御することにより、無段階にリードを変化させることができる。

第三の実施形態の送り装置によれば、移動軸５１が軸方向に移動するとき、移動軸５１の第一のギヤ５３が第二の駆動軸５５の第二のギヤ５５ｂと噛み合いを保ったまま、第二のギヤ５５ｂに対して軸方向に移動するので、スプライン軸を不要にでき、部品点数を削減できる。また、第一及び第二の駆動軸５４，５５が同一の軸線上に配置されるので、小型化を図れる。

なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲でさまざまな実施形態に具現化することができる。特に本実施形態の送り装置の構造は一例であり、送り装置の仕様に応じて適宜変更することが可能である。

本発明の送り装置は、可変リード機能を持ち、精度と速度の両立が可能であるから、射出成型機、プレス機等の工作機械に適している。また、高い正効率とセルフロック可能な低逆効率を両立させることができ、モータの小型化を図ることができるから、モータの小型化が要請される自動車用のアクチュエータ等にも適している。

４，３１，５４…第一の駆動軸，５，３２，５５…第二の駆動軸，６，４１，５１…移動軸，７…スプライン軸，８，４４，５５ｂ…第二のギヤ，１１，４２，５２…第一のねじ，１１´…環状溝，１２，４３，５３…第一のギヤ，１４，３９，５４…第二のねじ，２１，５７…第一のサーボモータ（第一の駆動源），２２，５８…第二のサーボモータ（第二の駆動源），３３…第一の中空モータ（第一の駆動源），３４…第二の中空モータ（第二の駆動源）

Claims (4)

1. 第一のねじ又は第一の環状溝、及び第一のギヤを一体に有し、一定の軸線の回りを回転可能であると共に軸方向に移動可能な移動軸と、
   前記移動軸の前記第一のねじ又は前記第一の環状溝に噛み合う第二のねじ又は第二の環状溝を有し、一定の軸線の回りを回転可能な第一の駆動軸と、
   前記移動軸の前記第一のギヤに噛み合う第二のギヤを有し、一定の軸線の回りを回転可能な第二の駆動軸と、
   前記第一の駆動軸を回転させる第一の駆動源と、
   前記第二の駆動軸を回転させる第二の駆動源と、を備え、
   前記第一の駆動源が前記第一の駆動軸を回転させ、前記第二の駆動源が前記第二の駆動軸を回転させることによって、前記移動軸が回転しながら軸方向に移動する送り装置。
2. 前記第二の駆動軸は、前記第二のギヤを前記第二の駆動軸の軸線方向に移動可能に有するか、又は一体に有し、
   前記移動軸が軸方向に移動するとき、前記移動軸の前記第一のギヤと前記第二の駆動軸の前記第二のギヤとの噛み合いが保たれることを特徴とする請求項１に記載の送り装置。
3. 前記第二の駆動軸は、前記第二のギヤを軸方向に移動可能にかつ軸線の回りを回転不可能に支持するスプライン軸を有し、
   前記移動軸が軸方向に移動するとき、前記第二のギヤが、前記移動軸の軸方向の移動に伴って、前記スプライン軸に対して軸方向に移動することを特徴とする請求項２に記載の送り装置。
4. 前記第二の駆動軸は、前記第二のギヤを一体に有し、
   前記移動軸が軸方向に移動するとき、前記移動軸の前記第一のギヤが、前記第二の駆動軸の前記第二のギヤと噛み合いを保ったまま、前記第二のギヤに対して軸方向に移動する請求項２に記載の送り装置。