JP2014178001A - ブレーキ付きアクチュエータ及びブレーキ付きアクチュエータユニット - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで部品点数も減らすことができるブレーキ付きアクチュエータを提供する。
【解決手段】
本発明のブレーキ付きアクチュエータは、本体部７、本体部７に対して中心線方向に移動する駆動軸４、及び駆動軸４が中心線方向に移動するのを案内する第一の案内体２１を有する駆動装置１と、駆動軸４に互いの中心線が偏心するように連結される案内軸６、及び案内軸６が中心線方向に移動するのを案内する第二の案内体２５を有する案内装置２と、駆動軸４及び案内軸６にトルクを作用させるトルク付与装置３１，５１と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、アクチュエータの駆動軸にブレーキを働かせることができるブレーキ付きアクチュエータ及びブレーキ付きアクチュエータユニットに関する。

アクチュエータの一種としてリニアモータを組み込んだアクチュエータが知られている。リニアモータは、コイル及びマグネットの一方を有する本体部と、コイル及びマグネットの他方を有する駆動軸と、を備える。コイルに三相交流を流すと、マグネットに発生する磁束とコイルに流れる電流との相互作用によって、駆動軸が中心線方向に移動する。

リニアモータをアクチュエータとして駆動させるためには、駆動軸の案内が必要になる。このため、リニアモータと駆動軸を案内する案内装置とを組み合わせて使用することが多い。また、リニアモータをＺ軸アクチュエータ（すなわち、駆動軸が鉛直方向に移動するアクチュエータ）として使用する場合、駆動軸に落下防止用のブレーキを設ける必要がある。ブレーキ付きアクチュエータとして、自動車のブレーキと同様に一対のブレーキパッドで駆動軸を挟むようにしたブレーキ装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００５−２２６８２４号公報

しかし、従来のブレーキ付きアクチュエータにあっては、ブレーキ装置を案内装置と別に設けるので、機構が複雑化してしまい、アクチュエータが大きくなってしまうという問題がある。また、部品点数が多くなってしまうという問題もある。小型のリニアモータには、市場要求としてブレーキ装置を有しながらコンパクトであることが求められる。特許文献１に記載のブレーキ装置を使用すると市場要求を満足させることができなくなる。

そこで、本発明は、コンパクトで部品点数も減らすことができるブレーキ付きアクチュエータ、及びブレーキ付きアクチュエータユニット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、本体部、及び前記本体部に対して中心線方向に移動する駆動軸、及び前記駆動軸が中心線方向に移動するのを案内する第一の案内体を有する駆動装置と、前記駆動軸に互いの中心線が偏心するように連結される案内軸、及び前記案内軸が中心線方向に移動するのを案内する第二の案内体を有する案内装置と、前記駆動軸及び前記案内軸にトルクを作用させるトルク付与装置と、を備えるブレーキ付きアクチュエータである。

本発明によれば、駆動軸と案内軸の偏心を利用してブレーキを働かせるので、案内装置とブレーキ装置を別々に設ける場合に比べて、コンパクトなブレーキ付きアクチュエータにすることができる。また、ブレーキ装置として追加する部品は駆動軸及び案内軸にトルクを作用させるトルク付与装置だけになるので、部品点数を減らすこともできる。

本発明の一実施形態のブレーキ付きアクチュエータの斜視図 本実施形態のブレーキ付きアクチュエータの連結部の平面図 本実施形態のリニアモータの斜視図（一部断面を含む） 本実施形態のリニアモータのコイルとマグネットの位置関係を示す概念図 本実施形態の駆動軸及び案内軸にブレーキが作用する原理を説明する概念図 本実施形態のブレーキ付きアクチュエータユニットの斜視図 本実施形態のトルク付与装置の操作棹及び連結板を示す平面図 本実施形態のトルク付与装置の他の例の概念図（図８（ａ）はトルクが作用している状態を示し、図８（ｂ）はトルクが解除された状態を示す）

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態のブレーキ付きアクチュエータを説明する。図１及び２は本実施形態のブレーキ付きアクチュエータを示す。図１に示すように、本実施形態のブレーキ付きアクチュエータは、駆動装置としてのリニアモータ１と、案内装置２と、を備える。リニアモータ１は、ベース３に固定される本体部７と、本体部７に対して中心線方向に移動する駆動軸４と、を備える。案内装置２は、駆動軸４の中心線方向の移動を精度よく案内するために設けられる。リニアモータ１の駆動軸４と案内装置２の案内軸６とは互いの中心線が偏心するように連結部５にて連結される。

リニアモータ１の駆動軸４は中空のパイプ内に複数のマグネットを中心線方向に並べてなる。リニアモータ１の本体部７には、駆動軸４を囲むように複数のコイルが中心線方向に並べて収容される。本体部７の複数のコイルに三相交流を流すと、複数のマグネットに発生する磁界と複数のコイルに流れる電流との相互作用によって、駆動軸４が中心線方向に移動する。リニアモータ１の構造は後述する。

図２の平面図に示すように、駆動軸４の中心線４ａと案内軸６の中心線６ａとは互いに平行であると共に所定距離δだけ偏心している。駆動軸４と案内軸６とは連結部５で連結される。円筒状の連結部５の一方の端面５ａには、駆動軸４が嵌まる断面円形の嵌合孔が形成される。連結部５の他方の端面５ｂには、案内軸６が嵌まる断面円形の嵌合孔が形成される。駆動軸４が中心線４ａ方向に移動すると、駆動軸４に連結される案内軸６も中心線６ａ方向に移動する。

この実施形態のブレーキ付きアクチュエータは、例えば電子部品等を一軸方向に移動させるチップマウンタのヘッド軸に用いられる。この場合、案内軸６には電子部品等を吸着する吸着パッドが設けられる。このブレーキ付きアクチュエータは、単一の一軸アクチュエータとして使用されることもあるし、複数組み合わされて多軸アクチュエータとして使用されることもある。

リニアモータ１の詳細な構造は以下のとおりである。図３は本実施形態のリニアモータ１の斜視図（一部断面図）を示す。駆動軸４は、中空のロッド１１と、ロッド１１の中空空間に収容される複数のマグネット１２と、を備える。ロッド１１は、例えばステンレス等の非磁性材料からなる。マグネット１２は円柱状に形成されていて、軸線方向に着磁される。ロッド１１の中空空間には、複数のマグネット１２が互いに同極が対向するように配列される。マグネット１２間には、例えば鉄等の磁性材料からなる磁極ブロック１３が介在する。

駆動軸４は中心線方向に配列された複数のコイル１５によって囲まれる。駆動軸４とコイル１５との間には磁気的なすきまが介在する。コイル１５は銅線を螺旋状に巻いたもので、コイルホルダ１６に保持されている。コイルホルダ１６の上面には複数のコイル１５に配線するための基板１７が設けられる。コイル１５、コイルホルダ１６、基板１７はハウジング１８によって覆われる。ハウジング１８は例えばコイル１５、コイルホルダ１６及び基板１７を射出成型の金型にセットし、溶融した樹脂又は特殊セラミックスを流すインサート成型によって形成される。ハウジング１８にはベース３に取り付けるためのねじ部１８ａ、位置決めピンが挿入される位置決め凹部１８ｂが形成される。コイル１５が設けられるハウジング１８がリニアモータ１の本体部７を構成する。

ハウジング１８の中心線方向の両端部にはエンド部材１９が設けられる。エンド部材１９には、駆動軸４が中心線方向に移動するのを案内する第一の案内体としての第一のブシュ２１が設けられる。第一のブシュ２１は樹脂製である。駆動軸４の断面は円形に形成される。第一のブシュ２１の内周面は駆動軸４と相似の断面円形に形成される。駆動軸４は第一のブシュ２１の内周面２１ａを滑る。第一のブシュ２１は駆動軸４がコイル１５に接触するのを防止し、これらの間に磁気的なすきまを介在させる役割を持つ。エンド部材１９には、駆動軸４の位置を検出する磁気センサ２３（図１参照）が取り付けられる。

図４を参照してリニアモータ１が作動する原理を説明する。上記のように、ロッド１１内の中空空間には、円柱状の複数のマグネット１２が互いに同極が対向するように、すなわちＮ極とＮ極が、Ｓ極とＳ極とが対向するように配列される。この図４では磁極ブロック１３を省略している。複数のマグネット１２によって駆動軸４にはＮ極から放射状に拡がると共に隣接するＳ極に戻る磁力線が形成される。

駆動軸４の周囲には、複数のコイル１５が積層される。コイル１５はＵ・Ｖ・Ｗ相からなる三相コイルである。三相コイルに１２０°ずつ位相がずれる三相電流を流すと、駆動軸４に発生する磁束と三相コイルに流れる電流との相互作用によって駆動軸４に推力が発生する。これにより、駆動軸４は本体部７に対して中心線方向に移動する。

案内装置２の構造は以下のとおりである。図１に示すように、案内装置２は、ベース３に固定されるブラケット２４と、ブラケット２４に組み込まれる第二の案内体としての第二のブシュ２５と、第二のブシュ２５に対して中心線方向に移動する案内軸６と、を備える。ブラケット２４はねじ等の固定手段によってベース３に固定される。ブラケット２４には、第二のブシュ２５を挿入するための円筒形の孔２４ａが形成される。第二のブシュ２５は円筒形である。第二のブシュ２５の内周面の断面は円形に形成される。第二のブシュ２５は金属製又は樹脂製である。案内軸６は断面円形に形成される。案内軸６の中心線方向の移動は第二のブシュ２５によって案内される。案内軸６は第二のブシュ２５の内周面を滑る。案内装置２の案内軸６と第二のブシュ２５との間のすきまは、リニアモータ１の駆動軸４と第一のブシュ２１との間のすきまよりも小さい。

なお、第二のブシュ２５と案内軸６との間に転がり運動可能に複数の転動体を介在することもできる。また、第二のブシュ２５の替わりにスプラインナットを用い、案内軸６にスプライン軸を用いることもできる。スプライン軸は中心線方向に細長いスプライン溝が形成された軸である。スプライン軸とスプラインナットとの間に転がり運動可能に複数の転動体を介在することもできる。さらに、案内装置２としてリニアガイド、すなわち案内軸６としてレールを用い、第二の案内体として移動ブロックを用いることもできる。移動ブロックは鞍形状ないし断面Ｃ字形に形成される。

駆動軸４及び案内軸６には、トルク付与装置によってトルクが作用するようになっている。トルク付与装置は駆動軸４及び案内軸６にトルクを作用させたり、駆動軸４及び案内軸６に作用するトルクを解除したりする。トルク付与装置の構造は後述する。以下に図５を参照して駆動軸４及び案内軸６にブレーキが働く原理を説明する。図５は、第一のブシュ２１、駆動軸４、第二のブシュ２５、案内軸６を中心線方向から見た概略図である。上記のように、駆動軸４及び案内軸６は所定距離δだけ偏心している。第一のブシュ２１と第二のブシュ２５も所定距離δだけ偏心している。駆動軸４と第一のブシュ２１との間のすきまは案内軸６と第二のブシュ２５との間のすきまよりも大きい。

駆動軸４及び案内軸６にトルクを作用させると、駆動軸４が案内軸６を中心にして旋回し、第一のブシュ２１の内周面の箇所Ｐ１に接する。これと同時に案内軸６が駆動軸４を中心にして旋回し、案内軸６が第二のブシュ２５の内周面の箇所Ｐ２に接する。このとき、駆動軸４の中心はＡポイントからＡ´ポイントに移り、案内軸６の中心はＢポイントからＢ´ポイントに移る。駆動軸４が第一のブシュ２１の内面に接すると、これらの間に摩擦力が働く。案内軸６が第二のブシュ２５の内面に接すると、これらの間に摩擦力が働く。この駆動軸４及び案内軸６に働く摩擦力はこれらが中心線方向に移動するときのブレーキになる。摩擦力の大きさはトルクの大きさに比例する。リニアモータ１をＺ軸アクチュエータとして使用したとき、駆動軸４の落下を防止できるように、トルクの大きさが設定される。

なお、図５には、駆動軸４と案内軸６の偏心量を誇張して示しているが、実際にはその偏心量δは小さい。駆動軸４及び案内軸６にトルクを作用させ続けることでブレーキが働いた状態を維持することもできるが、駆動軸４及び案内軸６に作用させるトルクを解除しても、ブレーキが働いた状態を維持することもできる。駆動軸４及び案内軸６の回転範囲には、ブレーキが働くロック域と、ブレーキが働かずに駆動軸４及び案内軸６が回転する可動域と、が存在する。ロック域及び可動域は、偏心量δ、駆動軸４及び案内軸６の直径、摩擦力の大きさ等によって決定される。ロック域まで駆動軸４及び案内軸６を回転させることで、その後トルクを解除しても、ブレーキが働いた状態を維持することができる。可動域では、本実施形態のアクチュエータを駆動軸４及び案内軸６を回転させる回転装置として使用することもできる。

図６は、本実施形態のブレーキ付きアクチュエータを複数組み合わせたブレーキ付きアクチュエータユニットを示す。ベース３上には複数のリニアモータ１が互いの駆動軸４が平行になるように配列されている。また、ベース３上には複数の案内装置２が互いの案内軸６が平行になるように配列されている。複数のリニアモータ１と複数の案内装置２は１対１に対応する。リニアモータ１の駆動軸４と案内装置２の案内軸６は連結部５によって互いの中心線が偏心した状態で連結される。

トルク付与装置３１は、複数の駆動軸４に連結される操作板３２と、複数のリニアモータ１の配列方向に伸び、複数の操作板３２を回転させることが可能な操作棹３３と、複数の駆動軸４及び前記複数の案内軸６にトルクが作用するように操作棹３３を駆動するトルク付与部としてのばね３４と、複数の駆動軸４及び複数の案内軸６に作用するトルクが解除できるように、ばね３４のばね力に抗して操作棹３３を駆動する解除装置３５と、を備える。

操作板３２は楕円形に形成される。操作板３２は駆動軸４の一端部に結合される。図７の平面図に示すように、操作板３２には楕円形の貫通孔３２ａが開けられる。この貫通孔３２ａには操作棹３３の操作軸３３ａがすきまを持った状態で挿入される。駆動軸４が中心線方向に移動するとき、操作板３２は駆動軸４と一緒に中心線方向に移動する。操作板３２に貫通孔３２ａを開けることで、操作板３２が操作軸３３ａに対して中心線方向に移動するのが可能になる。

操作棹３３は、リニアモータ１の配列方向に伸びる本体部３３ｂと、本体部３３ｂから垂直下方に伸びる複数の操作軸３３ａと、を備える。操作軸３３ａは操作板３２の貫通孔３２ａに挿入されており、操作板３２と係合可能である。

ばね３４は、操作棹３３を長さ方向に移動させる。ばね３４によって操作棹３３を長さ方向に移動させると、操作棹３３の操作軸３３ａが操作板３２に係合し、操作板３２にトルクが作用する。操作板３２には駆動軸４が結合されているので、駆動軸４及び案内軸６にトルクが作用する。これにより、駆動軸４及び案内軸６にブレーキが働き、駆動軸４が脱落するのを防止できる。

解除装置としてのシリンダ３５は、通電時にばね３４のばね力に抗して操作棹３３を反対方向に移動させる。操作棹３３を反対方向に移動させると、ばね３４によって駆動軸４に作用するトルクが解除される。これにより、駆動軸４及び案内軸６が中心線方向に移動可能になる。

図８はトルク付与装置の他の例を示す。図８は図１の連結部５の断面図を示しており、この例のトルク付与装置５１は図１の連結部５に組み込まれている。図６の例では、複数のリニアモータ１に対応するトルク付与装置３１を設け、トルク付与装置３１によって複数の駆動軸４及び複数の案内軸６に同時にトルクを作用させている。これに対して、図８の例では、一つのリニアモータ１にトルク付与装置５１を設け、トルク付与装置５１によって一つの駆動軸４及び一つの案内軸６に同時にトルクを作用させている。

連結部５は、外筒５２と、外筒５２に回転可能に組み込まれる内筒５３と、を備える。内筒５３には、駆動軸４及び案内軸６が偏心して連結される。トルク付与装置５１は、外筒５２と内筒５３との間に架け渡されるトルク付与部としてのばね５４と、外筒５２に設けられるコイル５５と、内筒５３に設けられるマグネット５６と、を備える。

図８（ａ）に示すように、ばね５４は、内筒５３にトルクを作用させる。内筒５３には、駆動軸４及び案内軸６が連結されているので、駆動軸４及び案内軸６にトルクが作用する。これにより、駆動軸４及び案内軸６にブレーキが働くのは上述のとおりである。

図８（ｂ）に示すように、コイル５５に通電するとき、コイル５５はマグネット５６を引き付け、ばね５４のばね力に抗して内筒５３を反対方向に回転させる。内筒５３が反対方向に回転すると、駆動軸４及び案内軸６に作用するトルクが解除される。これにより、駆動軸４及び案内軸６が中心線方向に移動可能になる。

以上に本実施形態のブレーキ付きアクチュエータの構造を説明した。本実施形態のブレーキ付きアクチュエータによれば以下の効果を奏する。

トルク付与装置３１，５１が、ばね３４，５４と、解除装置３５，５５と、を備え、解除装置３５，５５に通電しないとき、ばね３４，５４が駆動軸４及び案内軸６にトルクを作用させ、解除装置３５，５５に通電するとき、ばね３４，５４が駆動軸４及び案内軸６に作用するトルクを解除するので、電源が切れたときにブレーキが働く状態をつくることができる。

リニアモータ１及び案内装置２を積層し、トルク付与装置３１が複数の駆動軸４及び複数の案内軸６に同時のトルクを作用させることで、複数の駆動軸４及び複数の案内軸６に同時にブレーキを働かせることができる。

トルク付与装置３１を、複数の駆動軸４に連結される複数の操作板３２と、操作棹３３と、操作棹３３を駆動するばね３４と、ばね３４のばね力に抗して操作棹３３を駆動する解除装置３５と、から構成することで、電源が切れたときに複数の駆動軸４及び複数の案内軸６に同時にブレーキを働かせることができる。

なお、本発明は上記実施形態に具現化されるの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様々な実施形態に変更できる。例えば、上記実施形態では、駆動装置としてリニアモータを使用しているが、駆動装置として電動シリンダ、エアシリンダ等の電源を投入すれば駆動軸が移動する駆動装置を使用することができる。

上記実施形態では、リニアモータの本体部にコイルが設けられ、駆動軸にマグネットが設けられているが、本体部にマグネットが設けられ、駆動軸にコイルが設けられてもよい。

上記実施形態では、マグネットを有する駆動軸をコイルで囲むシャフトないしロッドタイプのリニアモータを使用しているが、マグネットにコイルが対向する所謂フラットタイプのリニアモータを用いることもできる。

上記実施形態では、トルク付与装置をばねと解除装置とから構成しているが、トルク付与装置を駆動軸にトルクを作用させるモータから構成することもできる。

上記実施形態では、トルク付与装置が非通電時に駆動軸及び案内軸にトルクを作用させ、通電時に駆動軸及び案内軸に作用するトルクを解除しているが、トルク付与装置の非通電時と通電時の動きは逆でもよい。また、トルク付与装置に出力する信号をオンオフ等させることで、トルク付与装置が駆動軸及び案内軸にトルクを作用させたり、駆動軸及び案内軸に作用するトルクを解除したりするようにしてもよい。

１…リニアモータ（駆動装置），２…案内装置，４…駆動軸，４ａ…中心線，５…連結部，６…案内軸，６ａ…中心線，７…本体部，１２…マグネット，１５…コイル，２１…第一のブシュ（第一の案内体），２５…第二のブシュ（第二の案内体），３１，５１…トルク付与装置，３３…操作棹，３４，５４…ばね（トルク付与部），３５…シリンダ（解除装置），５５…コイル（解除装置）

Claims (5)

1. 本体部、前記本体部に対して中心線方向に移動する駆動軸、及び前記駆動軸が中心線方向に移動するのを案内する第一の案内体を有する駆動装置と、
   前記駆動軸に互いの中心線が偏心するように連結される案内軸、及び前記案内軸が中心線方向に移動するのを案内する第二の案内体を有する案内装置と、
   前記駆動軸及び前記案内軸にトルクを作用させるトルク付与装置と、
   を備えるブレーキ付きアクチュエータ。
2. 前記本体部は、コイル及びマグネットの一方を有し、
   前記駆動軸は、前記コイル及び前記マグネットの他方を有し、
   前記駆動装置は、リニアモータであることを特徴とする請求項１に記載のブレーキ付きアクチュエータ。
3. 前記トルク付与装置は、
   前記駆動軸及び前記案内軸にトルクを作用させるためのトルク付与部と、
   前記駆動軸及び前記案内軸に作用するトルクを解除する解除装置と、を備え、
   前記解除装置に通電しないとき、前記トルク付与部が前記駆動軸及び前記案内軸にトルクを作用させ、
   前記解除装置に通電するとき、前記解除装置が前記駆動軸及び前記案内軸に作用するトルクを解除することを特徴とする請求項１又は２に記載のブレーキ付きアクチュエータ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の複数の駆動装置が、互いの駆動軸が互いに平行になるように配列されており、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の複数の案内装置が、互いの案内軸が互いに平行になるように配列されており、
   前記トルク付与装置は、前記複数の駆動軸及び前記複数の案内軸に同時にトルクを作用させるブレーキ付きアクチュエータユニット。
5. 前記トルク付与装置は、
   前記複数の駆動軸に連結される複数の操作板と、
   前記複数の駆動装置の配列方向に伸び、前記複数の操作板を回転させることが可能な操作棹と、
   前記複数の駆動軸及び前記複数の案内軸にトルクが作用するように、前記操作棹を駆動するトルク付与部と、
   前記複数の駆動軸及び前記複数の案内軸に作用するトルクが解除できるように、前記操作棹を駆動する解除装置と、を備える請求項４に記載のブレーキ付きアクチュエータユニット。

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