JP2019005844A - アクチュエータ及びアクチュエータユニット - Google Patents

Abstract

【課題】ロータリージョイントを使用せずにシャフトに流体を供給でき、推力及び動作に対する影響が少ないアクチュエータ及びアクチュエータユニットの提供を目的とする。
【解決手段】先端部１０Ａに中空孔１１が設けられたシャフト１０と、シャフト１０が摺動可能に挿通されたシャフトハウジング５０と、を有し、シャフトハウジング５０には、エアチューブ接続孔５１と、エアチューブ接続孔５１と連通してシャフト１０の外周面１０ａを囲う内部空間５２と、が設けられ、内部空間５２に囲まれたシャフト１０の外周面１０ａには、中空孔１１と連通する連通孔１２が設けられている、という構成を採用する。
【選択図】図５

Description

本発明は、アクチュエータ及びアクチュエータユニットに関するものである。

下記特許文献１には、アクチュエータの一つとして、主軸先端の工具ホルダにクーラントを供給するように構成した主軸装置が開示されている。この主軸装置は、主軸ヘッドに回転可能に設けられた主軸の先端に工具ホルダが装着され、軸方向移動により工具ホルダをクランプ、アンクランプするドローバーを主軸に設け、工具ホルダにクーラントを供給可能なクーラント供給孔をドローバーに設け、クーラント供給孔にクーラント供給装置からのクーラントを流通可能なロータリージョイントをドローバー後端に接続し、ロータリージョイントにホースを介してクーラント供給装置を接続して成る、軸芯給油方式の主軸装置である。

特開２０１１−４５９８０号公報

ところで、上記従来技術のように、回転するシャフト（主軸）に対してホース（流体流路）を接続する場合には、ロータリージョイントを取り付ける必要がある。しかしながら、ロータリージョイントを取り付けると、シャフトだけでなくロータリージョイントを動かすために、推力・トルクが大きいモータを選択しなければならない。また、ロータリージョイントに接続されたホースに流体が供給され、ホースが硬くなると、シャフトに衝撃や抵抗が加わり、アクチュエータの動作に影響が出る虞がある。また、ロータリージョイントは部品数が多く壊れやすいため、メンテナンスの頻度が高くなるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ロータリージョイントを使用せずにシャフトと流体流路とを接続でき、推力・トルク及び動作に対する影響が少ないアクチュエータ及びアクチュエータユニットの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のアクチュエータは、先端部に中空孔が設けられたシャフトと、前記シャフトが摺動可能に挿通されたハウジングと、を有し、前記ハウジングには、流体流路接続孔と、前記流体流路接続孔と連通して前記シャフトの外周面を囲う内部空間と、が設けられ、前記内部空間に囲まれた前記シャフトの外周面には、前記中空孔と連通する連通孔が設けられている、という構成を採用する。

また、本発明のアクチュエータユニットは、先に記載のアクチュエータが、前記シャフトの軸方向と直交する方向に複数積層され、前記流体流路接続孔が、前記シャフトの軸方向及び前記アクチュエータの積層方向と直交する方向に設けられている、という構成を採用する。

本発明によれば、ロータリージョイントを使用せずにシャフトと流体流路とを接続でき、推力・トルク及び動作に対する影響が少なくなる。

本発明の実施形態におけるアクチュエータユニットの外観斜視図である。 図１に示すアクチュエータユニットが備えるアクチュエータの内部構成図である。 本発明の実施形態におけるシャフトハウジングの外観斜視図である。 本発明の実施形態におけるシャフトハウジングの分解斜視図である。 本発明の実施形態におけるシャフトハウジングの軸方向に沿った断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明に用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、省略した部分がある。

図１は、本発明の実施形態におけるアクチュエータユニット１００の外観斜視図である。図２は、図１に示すアクチュエータユニット１００が備えるアクチュエータ１の内部構成図である。
図１に示すように、アクチュエータユニット１００は、複数のアクチュエータ１が積層されて構成されている。アクチュエータ１は、シャフト１０を移動させるアクチュエータ本体２と、シャフト１０にエア（流体）を供給するカートリッジ部３と、を有する。

なお、以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明することがある。シャフト１０が延びる軸方向をＺ軸方向、シャフト１０の軸方向と直交したアクチュエータ１の積層方向をＹ軸方向、シャフト１０の軸方向及びアクチュエータ１の積層方向とそれぞれ直交する方向をＸ軸方向とする。

アクチュエータ本体２は、図２に示すように、シャフト１０と、シャフト１０をその軸線Ｏ回りに回転させる回転モータ２０（動力伝達部）と、シャフト１０を軸線Ｏに沿った軸方向（Ｘ軸方向）に直動させる直動モータ３０と、回転モータ２０及び直動モータ３０等の駆動部を収容する駆動部ハウジング４０と、駆動部ハウジング４０のＺ軸方向の下端面に接続され、シャフト１０が摺動可能に挿通されたシャフトハウジング５０（ハウジング）と、を有する。

シャフト１０は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に延びており、回転モータ２０及び直動モータ３０によって、鉛直方向に直動すると共に、鉛直方向に延びる軸線Ｏ回りに回転する。シャフト１０の先端部１０Ａには、中空孔１１が設けられている。このシャフト１０の先端部１０Ａには、工具や吸着パッド等の図示しないアプリケーション装置が取り付けられる。本実施形態では、シャフト１０の先端部１０Ａに図示しない吸着パッドが取り付けられ、ワークＷをピックアップし、所定の場所に載置する所謂ピック＆プレイス動作を行うようになっている。

シャフト１０の先端部１０Ａと反対の基端部１０Ｂ側は、駆動部ハウジング４０に収容されている。駆動部ハウジング４０に収容されたシャフト１０の基端部１０Ｂ側には、例えば、軸方向に延びる図示しないスプライン溝が設けられている。回転モータ２０は、当該スプライン溝に係合する図示しないスプラインナット（回転子）と、当該スプラインナットを回転させる固定子とを有する。回転モータ２０の固定子は、駆動部ハウジング４０に固定され、シャフト１０のスプライン軸に係合したスプラインナット（回転子）を回転させることで、シャフト１０の軸方向の移動を許容しつつ、シャフト１０を軸線Ｏ回りに回転させるようになっている。

直動モータ３０は、駆動部ハウジング４０に固定された固定子３１と、固定子３１によって鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動する可動子３２と、を有する。例えば、固定子３１には図示しない複数のコイルが設けられ、可動子３２には図示しない複数の永久磁石が設けられている。コイルは、鉛直方向に沿って所定ピッチで配置され、且つ、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３つのコイルを一組として複数組設けられている。本実施形態では、これらＵ、Ｖ、Ｗ相のコイルに三相電機子電流を流すことによって直線的に移動する移動界磁を発生させ、固定子３１に対して可動子３２を直線的に移動させるようになっている。

直動モータ３０とシャフト１０は、直動テーブル３３を介して連結されている。直動テーブル３３は、複数の直動案内装置３４によって鉛直方向（Ｚ軸方向）に案内されている。直動案内装置３４は、駆動部ハウジング４０に固定された軌道レール３４ａと、軌道レール３４ａに組み付けられたスライダブロック３４ｂと、を有する。軌道レール３４ａは、鉛直方向に延びており、スライダブロック３４ｂは、軌道レール３４ａに沿って鉛直方向に移動可能とされている。

直動テーブル３３は、スライダブロック３４ｂに固定され、スライダブロック３４ｂと共に鉛直方向に移動可能とされている。この直動テーブル３３は、直動モータ３０の可動子３２と連結アーム３５を介して連結されている。また、直動テーブル３３は、シャフト１０と連結アーム３６（動力伝達部）を介して連結されている。なお、連結アーム３６には、シャフト１０を回転可能に支持する図示しない軸受が設けられ、シャフト１０の基端部１０Ｂには、シャフト１０の落下を防止する抜け止め３７が設けられている。

駆動部ハウジング４０は、図１に示すように、鉛直方向に延びる板状の直方体形状を有する。具体的に、駆動部ハウジング４０は、Ｚ軸方向の寸法がＸ軸方向の寸法よりも長く、Ｘ軸方向の寸法がＹ軸方向の寸法よりも長い。すなわち、駆動部ハウジング４０は、アクチュエータ１の積層方向（Ｙ軸方向）における寸法が最も小さくなっている。この駆動部ハウジング４０のＺ軸方向の上端面には、回転モータ２０や直動モータ３０を駆動させる電源や信号線等を含んだコネクタ４１が接続されている。また、この駆動部ハウジング４０のＸ軸方向の側端面には、カートリッジ部３のカートリッジハウジング６０が着脱可能に固定されている。

カートリッジハウジング６０は、駆動部ハウジング４０と同様に、鉛直方向に延びる板状の直方体形状を有する。カートリッジハウジング６０は、Ｚ軸方向の寸法が駆動部ハウジング４０のＺ軸方向の寸法よりも短いが、駆動部ハウジング４０と同様に、Ｚ軸方向の寸法がＸ軸方向の寸法よりも長く、Ｘ軸方向の寸法がＹ軸方向の寸法よりも長い。すなわち、カートリッジハウジング６０は、アクチュエータ１の積層方向（Ｙ軸方向）における寸法が最も小さくなっている。このカートリッジハウジング６０のＹ軸方向の寸法は、駆動部ハウジング４０のＹ軸方向の寸法以下とされている。

カートリッジハウジング６０の内部には、図２に示すように、エア制御機構６１が収容されている。エア制御機構６１は、図示しない複数の電磁弁を有し、シャフト１０の先端部１０Ａからの中空孔１１を介したエアの吸引、また、ワークＷの脱着のためのエアの吐出または真空破壊等を制御するようになっている。エア制御機構６１は、カートリッジハウジング６０のＺ軸方向の上端面に設けられたエア用コネクタ６２と接続されると共に、カートリッジハウジング６０のＺ軸方向の下端面に設けられたエアチューブコネクタ６３と接続されている。エア用コネクタ６２は、エアを吸引する図示しないポンプと接続され、エアチューブコネクタ６３は、エアチューブ６４（流体流路）を介してシャフトハウジング５０に設けられたエアチューブ接続孔５１（流体流路接続孔）と接続されている。

図３は、本発明の実施形態におけるシャフトハウジング５０の外観斜視図である。図４は、本発明の実施形態におけるシャフトハウジング５０の分解斜視図である。図５は、本発明の実施形態におけるシャフトハウジング５０の軸方向に沿った断面図である。
図３及び図５に示すように、シャフトハウジング５０には、シャフト１０が摺動可能に挿通されている。このシャフトハウジング５０には、エアチューブ接続孔５１と、エアチューブ接続孔５１と連通してシャフト１０の外周面１０ａを囲う内部空間５２と、が設けられている。

シャフトハウジング５０は、図４及び図５に示すように、ハウジング本体５３と、一対の蓋体５４と、シール体５５と、摺動リング５６と、を有する。ハウジング本体５３は、貫通孔５３ａが設けられた筒状体である。この貫通孔５３ａには、その径方向においてエアチューブ接続孔５１が連通している。エアチューブ接続孔５１は、ハウジング本体５３の長手方向（Ｚ軸方向）における中央部に設けられており、ハウジング本体５３の内外を連通させている。

一対の蓋体５４は、ハウジング本体５３の両端開口部を閉塞し、内部空間５２を形成するものである。ハウジング本体５３の両端開口部には、貫通孔５３ａよりも径が大きい円環状の段付き溝５３ｂが設けられている。一方、蓋体５４には、段付き溝５３ｂに嵌合する円環状の嵌合突起５４ｂが設けられている。この蓋体５４の中央部には、シャフト１０が挿通される貫通孔５４ａが、嵌合突起５４ｂを貫通して設けられている。一対の蓋体５４は、嵌合突起５４ｂによってハウジング本体５３の両端開口部に嵌合し、また、図示しないボルト等によってハウジング本体５３に対し固定されている。

シール体５５は、ハウジング本体５３と一対の蓋体５４との間に介在し、両者の隙間を気密にシールするものである。本実施形態のシール体５５は、円環状のＯリングであり、ハウジング本体５３の段付き溝５３ｂに配置され、蓋体５４の嵌合突起５４ｂによって軸方向（Ｚ軸方向）に押しつぶされる。このシール体５５の内径側には、摺動リング５６が設けられている。摺動リング５６は、シャフト１０を摺動可能に支持するものであり、シール体５５が軸方向に押しつぶされることによって、シャフト１０の外周面１０ａに押圧される。これによって、シャフト１０の外周面１０ａと摺動リング５６との隙間からの空気漏れが抑制される。

図５に示すように、シャフトハウジング５０の内部空間５２に囲まれたシャフト１０の外周面１０ａには、中空孔１１と連通する連通孔１２が設けられている。本実施形態の連通孔１２は、シャフト１０を径方向に十字に貫通しており、シャフト１０の外周面１０ａに４つ開口している。なお、連通孔１２は、１つであってもよい。中空孔１１は、シャフト１０を軸方向に貫通しておらず、シャフト１０の先端部１０Ａから連通孔１２が設けられた位置まで軸方向に延在している。これによって、中空孔１１が連通孔１２を介して内部空間５２に連通し、さらに内部空間５２を介してエアチューブ接続孔５１と連通する。

シャフトハウジング５０の内部空間５２は、シャフト１０の外径よりも一回り大きな円筒状の空間である。すなわち、ハウジング本体５３の内部空間５２において、ハウジング本体５３の貫通孔５３ａとシャフト１０の外周面１０ａとの間には、隙間が形成されている。この内部空間５２は、シャフト１０の軸方向において、直動モータ３０（図２参照）によるシャフト１０のストロークＳ以上の長さＬを有する。すなわち、シャフト１０のストロークＳの全範囲において、連通孔１２と内部空間５２とが連通するようになっている。なお、シャフト１０のストロークＳは、駆動部ハウジング４０の内部に設けられた図示しないストッパーによって設定することができる。

上記構成のシャフトハウジング５０は、図２に示すように、シャフト１０の軸線Ｏ上に設けられた駆動伝達部よりもシャフト１０の先端部１０Ａ近く（ワークＷの近く）に配置されている。なお、駆動伝達部とは、シャフトハウジング５０に対しシャフト１０を摺動させる力をシャフト１０に伝達させるものであり、本実施形態では、回転モータ２０及び連結アーム３６が該当する。また、シャフトハウジング５０は、エアチューブ接続孔５１が、シャフト１０の軸方向及びアクチュエータの積層方向と直交するＸ軸方向に延びるように、駆動部ハウジング４０に取り付けられている。すなわち、エアチューブ接続孔５１は、カートリッジ部３の着脱方向と同じ方向に開口しており、図１に示すアクチュエータ１の積層方向と干渉しない方向に配置されている。これにより、エアチューブ６４とエアチューブ接続孔５１との接続が容易になる。

上記構成のアクチュエータ１において、図２に示すワークＷをピックアップする場合、エア制御機構６１を駆動させる。エア制御機構６１は、ポンプに連通する電磁弁を開き、エアチューブ６４を介してシャフトハウジング５０の内部空間５２のエアを引くことで、シャフト１０に設けられた中空孔１１に負圧を発生させる。ここで、シャフトハウジング５０には、エアチューブ６４が接続されたエアチューブ接続孔５１と、エアチューブ接続孔５１と連通してシャフト１０の外周面１０ａを囲う内部空間５２と、が設けられている。そして、内部空間５２に囲まれたシャフト１０の外周面１０ａには、中空孔１１と連通する連通孔１２が設けられている。

この構成によれば、図２に示すように、シャフト１０が軸線Ｏ回りに回転したとしても、内部空間５２と連通孔１２との連通状態が維持されるため、シャフト１０の先端部１０Ａに設けられた中空孔１１に負圧を発生させ、ワークＷをピックアップすることができる。このように、本実施形態によれば、ロータリージョイントを使用せずに、回転するシャフト１０にエアチューブ６４を接続し、負圧を発生させることができる。これにより、ロータリージョイントを動かすために、トルクが大きい回転モータ２０を選択しなくてもよくなる。また、部品数の多いロータリージョイントを使用しなくてよくなるため、アクチュエータ１のメンテナンスの頻度を低減させることができる。

また、本実施形態では、図５に示すように、シャフトハウジング５０の内部空間５２が、シャフト１０の軸方向において、直動モータ３０（図２参照）によるシャフト１０のストロークＳ以上の長さＬを有している。この構成によれば、図２に示すように、シャフト１０が軸方向に移動したとしても、内部空間５２と連通孔１２との連通状態が維持されるため、シャフト１０の先端部１０Ａに設けられた中空孔１１に負圧を発生させることができる。また、シャフトハウジング５０は、駆動部ハウジング４０に固定されているため、エアチューブ６４との接続状態は変わらず、例えば、ピックアップしたワークＷを脱着するために、中空孔１１からエアを吐出または真空破壊したとしても、その影響をシャフト１０に伝えないようにすることができる。

仮に、中空孔１１がシャフト１０を軸方向に貫通して設けられ、基端部１０Ｂにエアチューブ６４が接続される形態を考えた場合、エアの給排気によってエアチューブ６４の硬さが変動すると、そのエアチューブ６４の硬さがシャフト１０の軸方向における抵抗となる。したがって、推力が小さい直動モータ３０を使用した場合には、エアチューブ６４の硬さによって可動子３２が原点復帰できなくなる虞がある。一方、本実施形態によれば、エアチューブ６４の硬さが変動したとしても、その影響がシャフト１０に伝わらないから、推力が大きい直動モータ３０を選択しなくてもよく、小型で軽量のワークＷを高速で搬送することが可能となる。

また、シャフトハウジング５０は、図２に示すように、シャフト１０の軸線Ｏ上において、動力伝達部（回転モータ２０及び連結アーム３６）よりもシャフト１０の先端部１０Ａ近くに配置されている。この構成によれば、ワークＷをピック＆プレイスするタクトタイムを短くすることができる。すなわち、上述したように、中空孔１１がシャフト１０を軸方向に貫通して設けられ、基端部１０Ｂにエアチューブ６４が接続される形態では、シャフト１０の全長に亘ってエアを引く必要があるが、本実施形態によれば、シャフト１０の先端部１０Ａから連通孔１２までエアを引けばよく、また、エア制御機構６１までの距離も短くなるため、素早く負圧を発生させることができる。

また、シャフトハウジング５０は、図４に示すように、筒状のハウジング本体５３に、そのハウジング本体５３の両端開口部を閉塞するように一対の蓋体５４を取り付け、ハウジング本体５３と一対の蓋体５４との間にシール体５５を介在させ、このシール体５５に設けた摺動リング５６によって、シャフト１０を摺動可能に支持する構成となっている。このように、ハウジング本体５３と一対の蓋体５４との間に、シール体５５を挟み込むことにより組み立てが容易になる。また、例えば、ハウジング本体５３の貫通孔５３ａにシール体５５を配置するために円環状の溝を加工する必要がなくなる。ハウジング本体５３の貫通孔５３ａに円環状の溝を加工する場合、加工がし難く、寸法管理が困難になる。一方、本実施形態によれば、ハウジング本体５３の両端開口部に段付き溝５３ｂを加工し、蓋体５４を用いてシール体５５を配置する溝を形成するため、加工が容易で高精度な寸法管理が可能になる。これにより、シール体５５のつぶし代の管理が容易になるため、摺動リング５６によるシャフト１０に対する摺動抵抗の管理が容易になる。

このように、上述の本実施形態によれば、先端部１０Ａに中空孔１１が設けられたシャフト１０と、シャフト１０が摺動可能に挿通されたシャフトハウジング５０と、を有し、シャフトハウジング５０には、エアチューブ接続孔５１と、エアチューブ接続孔５１と連通してシャフト１０の外周面１０ａを囲う内部空間５２と、が設けられ、内部空間５２に囲まれたシャフト１０の外周面１０ａには、中空孔１１と連通する連通孔１２が設けられている、という構成を採用することによって、ロータリージョイントを使用せずにシャフト１０にエアチューブ６４を接続でき、推力・トルク及び動作に対する影響が少ないアクチュエータ１及びアクチュエータユニット１００が得られる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、アクチュエータ１が回転モータ２０及び直動モータ３０を有する構成について例示したが、アクチュエータ１が回転モータ２０のみを有する構成であってもよいし、アクチュエータ１が直動モータ３０のみを有する構成であってもよい。例えば、アクチュエータ１が回転モータ２０のみを有する構成である場合、図５に示す内部空間５２の長さＬを、連通孔１２と対向可能な長さ（領域）まで短くしてもよい。

また、上記実施形態では、回転モータ２０がスプラインナットを介してシャフト１０を回転させる構成を例示したが、例えば、回転モータ２０がベルト及びプーリーを介してシャフト１０を回転させる構成であってもよい。この場合、シャフト１０に固定されたプーリーが動力伝達部となる。

また、例えば、上記実施形態では、ワークＷをピック＆プレイスするアクチュエータ１に本発明を適用したが、例えば、他の空圧のアクチュエータや、上記従来技術のように流体として液体を供給する主軸装置等にも本発明を適用することができる。

１…アクチュエータ、１０…シャフト、１０ａ…外周面、１０Ａ…先端部、１０Ｂ…基端部、１１…中空孔、１２…連通孔、２０…回転モータ、３０…直動モータ、３６…連結アーム（動力伝達部）、５０…シャフトハウジング（ハウジング）、５１…エアチューブ接続孔（流体流路接続孔）、５２…内部空間、５３…ハウジング本体、５４…蓋体、５５…シール体、５６…摺動リング、６４…エアチューブ（流体流路）、１００…アクチュエータユニット、Ｌ…長さ、Ｏ…軸線、Ｓ…ストローク、Ｗ…ワーク

Claims (5)

1. 先端部に中空孔が設けられたシャフトと、
   前記シャフトが摺動可能に挿通されたハウジングと、を有し、
   前記ハウジングには、流体流路接続孔と、前記流体流路接続孔と連通して前記シャフトの外周面を囲う内部空間と、が設けられ、
   前記内部空間に囲まれた前記シャフトの外周面には、前記中空孔と連通する連通孔が設けられている、ことを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記シャフトの軸線上には、前記ハウジングに対し前記シャフトを摺動させる動力伝達部が設けられており、
   前記ハウジングは、前記シャフトの軸線上において、前記動力伝達部よりも前記シャフトの先端部近くに配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記シャフトの軸方向に沿って、前記ハウジングに対し前記シャフトを摺動させる直動モータを有し、
   前記内部空間は、前記シャフトの軸方向において、前記直動モータによる前記シャフトのストローク以上の長さを有する、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. 前記ハウジングは、
   前記流体流路接続孔が径方向に設けられた筒状のハウジング本体と、
   前記ハウジング本体の両端開口部を閉塞する一対の蓋体と、
   前記ハウジング本体と一対の蓋体との間に介在するシール体と、
   前記シール体に設けられ、前記シャフトを摺動可能に支持する摺動リングと、を有する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のアクチュエータが、前記シャフトの軸方向と直交する方向に複数積層され、
   前記流体流路接続孔が、前記シャフトの軸方向及び前記アクチュエータの積層方向と直交する方向に設けられている、ことを特徴とするアクチュエータユニット。