JP2015165767A - ２軸電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡便かつ費用対効果がよい方法で、試験片に対し２つの異なった軸方向に力を付与できる電磁アクチュエータを提供すること。
【解決手段】材料試験装置のための二軸電磁アクチュエータは、出力シャフトに直線方向の力を課すための第１電磁アクチュエータと、前記シャフトに回転方向の力を課すためのダイレクトドライブの第２電磁アクチュエータとを有する。前記シャフトは、同シャフトが軸方向と回転方向に移動するのを可能にする２つの組み合わせ軸受の中に据え付けられる。これら軸受の一方が中空の円筒部材の中に配置され、この円筒部材は前記ダイレクトドライブ・アクチュエータの電機子を構成し、コンパクトで対称な機構となる。
【選択図】図１

Description

本発明はアクチュエータに関し、特に試験サンプルの２つの異なった軸に対し力を付与しなければならない試験装置において使用されるための電磁アクチュエータの構造に関する。

リニアモータなどの電磁アクチュエータには多くの用途があるが、近時は、ピストン-シリンダ型装置として油圧ラムに代えてリニアモータを使用ことが注目されている。そのような使用の１つに、モータの電機子が試験片に力を付与するように、電磁ラムとしてのリニアモータを配向した試験装置の分野がある。通常、ラムの方向は鉛直方向である。

英国特許出願公開第０６１８２０９．１号

本発明の目的は、簡便かつ費用対効果がよい方法で、試験片に対し２つの異なった軸方向に力を付与できる電磁アクチュエータを提供することにある。これらの軸は、望ましくは同軸の直線軸と回転軸である。

本発明は、高い軸力を提供する電動２軸アクチュエータを提供する。この電動２軸アクチュエータは、独立の電機子を持つ第１と第２のモータを具備し、第１のモータは出力軸を軸方向に移動させるリニア電気モータであり、第２のモータは前記出力軸を回転運動させる。

アクチュエータの好ましい用途は、アクチュエータを鉛直に配向、つまり共通シャフトの軸線を鉛直に配向して据え付けるようにした材料試験装置における使用である。２軸アクチュエータによって、２個の独立したモータを試験に供される試料の異なる端部に設ける必要がなくなり、更にそれに伴う短所を回避でき、より単純な構造をもたらすことになる。１つの特別な利点としては、アクチュエータと共に使用するにあたりスラスト軸受が不要となることである。

本発明による電磁アクチュエータの概略的断面斜視図である。 図１に示したアクチュエータを組み込んだ材料試験装置を示す図である。

以下、添付図面を参照して説明する実施形態から、本発明はより良く理解されるであろう。
１つのモータによって試験片の一端に直線方向の力を付与しつつ、それとは別個のモータを使って同試験片の他端に回転方向の力を付与するようにして材料試験装置に電気モータを使用することがこれまで可能であった。しかしながら、これは、別個の電気モータのためのスラスト軸受か、或いは試験片のための特別なマウント構造のどちらかを必要とする複雑な機構である。

本発明の好ましい実施形態は、直線方向の力と回転方向の力の双方をシャフトに配分することができる電磁アクチュエータである。材料試験装置で使用する場合、通常、アクチュエータは、シャフトを鉛直に配向するように据え付けられ、試験片はこのシャフトの一端に結合される。その結果、直線方向の力または回転方向の力、或いは、その双方を組み合わせた力を試験片に印加することができる。このような試験装置では通常、高い軸力が必要となる。

図面を参照すると、アクチュエータの好ましい形態が概略的に示されており、それの全体が参照番号１０で示されている。該アクチュエータは、直線駆動部１１と、回転駆動部１２と、該直線駆動部および回転駆動部を貫通して延び、出力端部１４を備えた共通シャフト１３とを有する。シャフト１３の他方の端部１５もまた、アクチュエータを超えて突出し、場合によってはブレーキを設けてもよい。該ブレーキは、我々の同時係属中の英国特許出願公開第０６１８２０９．１号に記載された形態をとることが好ましい。尚、回転駆動部１２は、シャフトの出力端部１４から離間するように直線駆動部１１の一端に取付けられている。

直線駆動部の構造を更に詳細に説明する。直線駆動部は、全体を参照番号２１で指示する複数のステーターコイルを包囲する円筒状ハウジング２０からなるリニア電気モータを有する。ステーターコイルは電機子２２に作用し、該電機子は、本実施形態では磁性材料から形成した中空円筒部材から成り、従来のリニアモータの原理に従って駆動部１１内で直線移動するように配置される。電機子２２は参照番号２４で示したような何らかの簡便手段を用いてシャフト１３に固定される。該シャフトは、端フランジ２６ａ、２６ｂに設けられたリニア軸受２５ａ、２５ｂによって直線駆動部１１内に位置決めされる。望ましくは、この軸受はボール・スプライン軸受である。該直線駆動部は、軸方向移動を可能にする送りネジとスラスト軸受（或いは、別のスラスト軸受機構）によって回転モータを組み合わせた他のシステムよりも有利である。ここに説明する好適実施形態は、ダイレクトドライブ機構を提供することができる。

直線駆動部のリニア電気モータは、歯車機構を介在させることなく電流を用いて直接負荷に作用する磁力を発生する「ブラシレス電気モータ」として定義されるダイレクトドライブ装置である。分離型回転リニアエンコーダ１６がフランジ２６ａに取り付けられており、モータ本体やシャフト１３の熱膨張に左右されないシャフト位置を測定する。リニアエンコーダ１６からの出力は、ステーターコイルへの電流供給を制御してシャフト１３の移動を制御する制御装置で用いることができる。

回転駆動部１２をより詳細に説明する。回転駆動部はダイレクトドライブ電気モータから成る。該ダイレクトドライブ電気モータは円筒状ハウジング３０を有し、該円筒状ハウジング内には、回転駆動部の電機子を形成するステーターコイル３１および中空円筒状のロータ３２が収納されている。回転駆動部１２は、シャフト１３が回転駆動部１２の回転軸線に沿って延在するように、フランジ２６ｂに取り付けられる。シャフト１３は回転駆動部１２の近傍で、望ましくはボールスプライン軸受から成るリニア軸受２５ｂにスプライン結合され、該リニア軸受はロータ３２に取り付けられている。ボールスプライン軸受はシャフト１３と協働し、ロータ３２が回転するとシャフト１３も回転するが、軸受２５ｂやロータ３２を移動させることなく、シャフト１３が軸受内で独立して軸方向移動できるようなっている。更に、リニア軸受２５ｂはまた、回転軸受３５ｂによってフランジ２６ｂの端部に取り付けられる。この構造形態により、単一の軸受機構をシャフトの回転駆動部１２の部分に使用することができ、それはロータ３２のための主軸受を提供する。望ましい場合には、追加の軸受を、エンドプレート３６に取り付けた状態で組み込んでも良い。図１に示す配置構造では、エンドプレート３６とロータ３２の間に間隙が存在する。材料試験装置において使用される場合、回転駆動部内に形成される回転モータは、該回転モータよりもリニアモータの方が試験片に近くなるように、リニア電気モータの後端部に取り付けられる。スラストはリニアモータの支持部を通過し、スラスト軸受は必要ではない。回転駆動部１２における軸受機構による回転を可能にしつつ、高い直線方向の力をリニアモータのシャフト１３から付与することができる。

ロータ３２は軸受２５ｂに結合され、シャフトのスプラインを介して回転方向の力をシャフト１３に付与する。これにより、シャフト１３は、該シャフトの中心軸線沿いに直線方向の力と回転方向の力の双方を受ける。各駆動部の個々の電機子は制御回路を介してそれぞれ別個に制御でき、電機子の各々は共通シャフトに作用することになる。これにより、シャフトを駆動するためのコンパクトでかつ左右対称の機構が形成される。

望ましい場合には、そしてリニア軸受２５ａとしてボールスプライン軸受が使用される場合には、リニア軸受２５ａは回転軸受３５ａを使用するフランジ２６ａに取付けられることになる。

回転駆動部１２には、ロータ３２の回転を検出可能にするため、好ましくはベルト駆動されるロータリーエンコーダ３７が設けられる。ロータリーエンコーダ３７からの出力は回転駆動部１２を駆動する制御装置（図示せず）で使用される。

望ましい場合には、同軸リニア可変変位変換器を、中空シャフトを通してシャフト１３の端部１５に結合しても良い。

上述した構造は、アクチュエータがコンパクトであることに加え、試験片と結合したシャフトが正確に制御可能であるという利点がある。

図２を参照すると、試験すべきサンプルを固定するテーブル４０を有する材料試験装置が示されている。「サンプル」との用語は、試験が実行されることになる材料や構造物や部品を網羅することを意図している。垂直材４１と横断ヘッド４２からなる形態のフレームが、上述した電磁アクチュエータ１０を支持する。横断ヘッド４２には穴が形成されており、該穴を通してシャフト１３が垂下される。シャフトの出力端１４には試験すべきサンプルに固定される把持部が設けられる。センサ１６は、より正確な結果を提供する理由から、横断ヘッド４２に対して、試験すべきサンプルと同じ側にシャフト１３上に配置されるのが好ましい。上述した構造により、何らリニアスラスト軸受を必要とすることなく、サンプルには直線方向の力と回転方向の力の双方が印加されるであろう。特に、そのような機構は大きい力を必要する材料検査装置に適している。リニアアクチュエータを備えた電磁アクチュエータ１０は、材料試験装置において役に立つ瞬発的な力の付与と除去を提供すべく制御可能である。更に、ダイレクトドライブ・モータを備えた電磁アクチュエータ１０の使用することで、軸力を供給する部品への摩耗を最小限にとどめつつ、同時に回転方向の力を供給できる状態で何千もの軸方向疲労テストを実施することができる。

１０ アクチェータ
１１ 直線駆動部
１２ 回転駆動部
１３ 共通シャフト
１４ 出力端部
１５ 他方の端部
１６ 分離型回転リニアエンコーダ
２０ 円筒状ハウジング
２１ ステーターコイル
２２ 電機子
２４ 簡便手段
２５ａ リニア軸受
２５ｂ リニア軸受
２６ａ 端フランジ
２６ｂ 端フランジ
３０ 円筒状ハウジング
３１ ステーターコイル
３２ ロータ
３５ｂ 回転軸受
３６ エンドプレート
３７ ロータリーエンコーダ
４０ テーブル
４１ 垂直材
４２ 横断ヘッド

Claims (16)

1. 夫々が別個の電機子を有する第１と第２のモータを有する電動２軸のアクチュエータにおいて、前記第１のモータは出力シャフトに対し軸方向移動させるべく配置され、前記第２のモータは前記出力シャフトに対し回転運動をさせるべく配置されることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記第１のモータは、ダイレクトドライブ・モータであ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. 前記第２のモータは、ダイレクトドライブ・モータであることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記第２のモータは、前記出力シャフトの出力端から離れた第１のモータの端部に配置されることを特徴とする請求項１、２または３に記載のアクチュエータ。
5. 更に、前記第１のモータの磁界の外側に位置する第１と第２のリニア軸受を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のアクチュエータ。
6. 前記リニア軸受の一方は、前記第２のモータの電機子の近傍に位置することを特徴とする請求項５に記載のアクチュエータ。
7. 前記一方のリニア軸受は、前記第２のモータのロータと、アクチュエータの前記出力シャフトの間に位置することを特徴とする請求項６に記載のアクチュエータ。
8. 前記一方のリニア軸受は、回転軸受を介して前記第１のモータに結合されることを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータ。
9. 前記一方のリニア軸受はボールスプライン軸受であることを特徴とする請求項５乃至８の何れか１項に記載のアクチュエータ。
10. 前記リニア軸受の他方は、回転軸受により前記第１のモータに結合されることを特徴とする請求項６乃至９の何れか１項に記載のアクチュエータ。
11. 更に、電力がない場合の前記シャフトの移動を阻止する機械式ブレーキを有することを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載のアクチュエータ。
12. 前記第２のモータは、中空シリンダの形態のロータを有することを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載のアクチュエータ。
13. 前記シャフトには、少なくとも前記第２のモータの領域においてスプライン加工が施され、前記電機子はスプラインを介してシャフトに回転方向の力を付与するように配置されることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載のアクチュエータ。
14. 請求項１〜１３の何れか１項に記載のアクチュエータを組み込んだことを特徴とする材料試験装置。
15. 垂直材と横断部材を具備して前記アクチュエータを鉛直姿勢の状態で据え付けるフレームを有し、前記アクチュエータの試料台は前記横断ヘッドの孔を通って突き出し、アクチュエータは試験下にあるサンプルに結合された出力端を有することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 分離型回転リニアエンコーダ装置が、前記シャフトの、前記クロスヘッドと前記シャフトの出力端との間にあるシャフト部分に結合されることを特徴とする請求項１５に記載の装置。

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