JP2019134584A - 回転直動駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来にない新規な構成で、かつ優れた効果を有する回転直動駆動装置を提供すること。【解決手段】この回転直動駆動装置１は、軸線１１を中心として回転可能および軸線１１が伸びる方向に移動可能に支持された可動部２と、軸線１１を中心に回転させるための回転駆動部と、可動部２を軸線１１の方向に移動させる直動駆動部と、を備えている。そして、回転駆動部は、固定子３の一部を構成し、可動部２のマグネット部２４を囲むように円筒状にされた回転用コアレス巻線３１を有し、直動駆動部は、固定子３の一部を構成し、円筒状の回転用コアレス巻線３１を囲むように円筒状にされた直動用巻線３２を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、回転直動駆動装置に関する。

各種の遊具装置や家電器具や小型ロボットなどに、所定の軸を、回転させたり、直動させたりする回転直動駆動装置が使用されることがある。また、各種組立装置や各種検査装置では、部品等を配置するために、装置がつかんだ部品や検査プローブを直動させたり、回転させたりする、回転直動駆動装置が使用されている。

このような回転直動駆動装置としては、１対の離間した各輪状ステータの内側に、互いに逆のスキュー面を有する１対のロータを配設し、直動と回転を行い、小型化と簡略化を図ったモータ（特許文献１）が存在する。また、回転直動駆動装置としては、回転用電機子巻線を巻回した回転用電機子コアの内側に、直動用電機子巻線を巻回した直動用電機子コアを設置したアクチュエータ（特許文献２）も知られている。

特開２００５−１９８４６４号公報 特開２００９−１１２０８７号公報

特許文献１に記載のモーターは、その回転子の外周に突極状のロータ歯が設けられているため、突極の形成そのものが大変なうえに、スキューさせており、精度確保が困難なものとなっている。特許文献２に記載のアクチュエータは、回転子の着磁構成からは、回転力や直進力が十分得られない恐れがある。

そこで、本発明は、上記問題のいずれか一つまたは複数を解決するためになされたものであり、新規な構成で、かつ優れた効果を有する回転直動駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の回転直動駆動装置の態様の１つは、軸線を中心として回転可能および軸線が伸びる方向に移動可能に支持された可動部と、可動部を軸線中心に回転させるための回転駆動部と、可動部を軸線方向に移動させる直動駆動部と、を備え、回転駆動部は、固定子の一部を構成し、可動部のマグネット部を囲むように円筒状にされた回転用コアレス巻線を有し、直動駆動部は、固定子の一部を構成し、円筒状の回転用コアレス巻線を囲むように円筒状にされた直動用巻線を有している。

ここで、回転用コアレス巻線の径方向厚みを、直動用巻線の径方向厚みより、薄くするのが好ましい。しかし、両者の厚みを同じにしたり、直動用巻線の径方向厚みの方を薄くしたりしてもよい。

また、可動部は、外周上にＮ極、Ｓ極が交互に着磁された回転用円形マグネットを有する回転用ロータ部と、内径と外径が異極となるように着磁された直動用円形マグネットを複数、軸方向に重ね、その着磁関係を隣接するものが逆となるようにされた直動用ロータ部と、を有し、回転用ロータ部に近い直動用円形マグネットの径方向厚さと、回転用ロータ部から遠い直動用円形マグネットの径方向厚さ、とを同じにし、かつ回転用ロータ部の回転用円形マグネットの軸方向厚さと、複数の直動用円形マグネットの軸方向厚さの合計とを同じとするのが好ましい。しかし、複数の直動用円形マグネットの径方向厚さを異なる厚さにしてもよい。また、回転用ロータ部のマグネット部と、直動用ロータ部のマグネット部の軸方向厚さを異なるようにしてもよい。

さらに、可動部の回転と直動とを支持する回転兼リニア軸受けを有し、この回転兼リニア軸受けの、可動部のロータ部の側に面している部分に、円柱状の空間を設けるのが好ましい。しかし、円柱状の空間を設けないようにしてもよい。また、可動部の径方向中心に空洞部を設け、空洞部の少なくとも一部を回転用コアレス巻線が囲む円筒空間内に常時位置させると共に、空洞部の空間をこの装置の外周空間に対して開放した構成にするのが好ましい。しかし、このような空洞部を設けないようにしてもよい。

また、回転駆動部と直動駆動部は、共にブラシレスモータでのステップパルス駆動で制御される構成とし、可動部が直動する両方向に、可動部が突き当たることで可動部の直動を停止させるストッパを設けるのが好ましい。なお、ブラシレスモータではなく、ステップモータを採用したり、他のモーター方式を採用したりしてもよい。

本発明においては、簡易な構成でありながら、薄型化や回転力を得やすい回転直動駆動装置を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る回転直動駆動装置の断面図である。 図１に示す回転直動駆動装置の斜視図である。 図１に示す回転直動駆動装置の正面図である。 図１に示す回転直動駆動装置を、図３のＡ−Ａ線で切断した断面図である。 図１に示す回転直動駆動装置に使用されている回転用コアレス巻線を軸線方向から見た図である。 図１に示す回転直動駆動装置に使用されている回転用コアレス巻線を径方向から見た図で、上半分は断面図で、下半分は正面図である。 図１に示す回転直動駆動装置の回転用ロータ部の着磁状況と、回転用コアレス巻線の各相の状況を示す図である。 図１に示す回転直動駆動装置に使用されている回転用コアレス巻線の各相の位置関係と結線状態を示す図である。 図１に示す回転直動駆動装置に使用されている直動用巻線を構成する巻線構成部の正面図である。 図１に示す回転直動駆動装置に使用されている直動用巻線を構成する巻線構成部の平面図である。 図１に示す回転直動駆動装置の直動用ロータ部の着磁状況と、直動用巻線の各相の状況を示す図である。 図１に示す回転直動駆動装置の直動用巻線の各相の位置関係と結線状態を示す図である。 図１に示す回転直動駆動装置に使用されている可動部の斜視図である。 図１３に示す可動部を軸線方向から見た平面図である。 図１３に示す可動部を、図１４のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 図１に示す回転直動駆動装置に使用されている回転用円形マグネットの平面図である。 図１６に示す回転用円形マグネットを、図１６のＣ−Ｃ線で切断した断面図である。 図１に示す回転直動駆動装置に使用されている直動用円形マグネットの平面図である。 図１８に示す直動用円形マグネットを、図１８のＤ−Ｄ線で切断した断面図である。 図１に示す回転直動駆動装置に使用される直動用円形マグネットのうち、回転用ロータ部から遠い側の直動用円形マグネットの他の案の平面図である。 図２０に示す直動用円形マグネットを、図２０のＥ−Ｅ線で切断した断面図である。 図１に示す回転直動駆動装置を駆動するための駆動回路とその周辺を示す図である。 図１に示す回転直動駆動装置の駆動方法を説明するための図で、（Ａ）はスター結線された状態を示す図で、（Ｂ）はスター結線時の電流の流し方を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る回転直動駆動装置の断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る回転直動駆動装置について、図を参照しながら説明する。なお、最初に、第１の実施の形態に係る回転直動駆動装置１について、図１〜図２２を参照しながら説明する。

（回転直動駆動装置１の全体構成）
図１〜図４に示すように、この回転直動駆動装置１は、軸線１１を中心として回転可能および軸線１１が伸びる前後方向に移動可能に支持された可動部２と、この可動部２を、軸線１１を中心に回転させるための回転駆動部および可動部２を軸線が伸びる方向に移動させる直動駆動部とを備える固定子３と、可動部２と固定子３の両者を覆うケース部４と、可動部２を支持する軸受け部５と、を有する。可動部２は、軸線１１を中心として回転し、軸線１１が伸びる前後の両方向に移動することができるため、この装置は、１つの可動部２を、回転と直動の両動作を行わせることができる駆動装置となる。

この回転直動駆動装置１は、軸部２１の長さが２３５ｍｍで、ケース部４の軸線１１の方向の長さが１３５ｍｍで、直径が９０ｍｍとなっており、かなり小型の装置である。しかし、大型化したり、さらに小型化したり、してもよい。なお、可動部２の直動のストロークは、５０ｍｍとされているが、ストロークは、もっと長くしたり、短くしたりしてもよい。

（回転直動駆動装置１の各部の概略構成）
可動部２は、図１、図４に示すように、ステンレス鋼からなる軸部２１と、ロータ部２２とから主に構成されている。軸部２１は、直径が６ｍｍで、長さが２３５ｍｍの円柱形状とされている。ロータ部２２は、軸部２１に固着されており、軟磁性体、たとえばフェライト系ステンレス鋼からなるロータヨーク２３と、このロータヨーク２３の外周に固着されているマグネット部２４とを有している。ロータヨーク２３は、太径かつ中実状の円柱形状とされている。マグネット部２４は、１つの回転用円形マグネット２５と、２つの直動用円形マグネット２６，２７から構成されている。

図１、図４に基づき、固定子３について説明する。固定子３は、上述のように、回転駆動部と直動駆動部とを有する。回転駆動部は、可動部２のマグネット部２４を囲むように円筒状にされた回転用コアレス巻線３１を有するものとされており、固定子３の一部を構成している。直動駆動部は、円筒状の回転用コアレス巻線３１を囲むように円筒状にされた直動用巻線３２を有するものとされており、固定子３の一部を構成している。固定子３は、さらに、直動用巻線３２を囲むように円筒状に形成された、プラスチック等の非磁性からなるステータ３３を有している。ステータ３３は、回転駆動部と直動駆動部のそれぞれの一部を形成している。

回転用コアレス巻線３１の径方向厚さ（Ｘとする）は、直動用巻線３２の径方向厚さ（Ｙとする）に比べ、薄くされている。このため、回転直動駆動装置１が径方向に小型化される一方、直動用巻線３２がマグネット部２４に近接して配置されるため、十分な回転力と直動力を得やすいものとなる。この第１の実施の形態では、「Ｘ＝Ｙ／６」としているが、「Ｘ＝Ｙ／１２〜Ｙ／３」とすると、薄型化しつつ、回転力と直動力を得やすいものとなるので好ましい。

回転用コアレス巻線３１は、図１に示すように、一端側は、フロントフランジ４１に接着固定され、他端側は、エンドフランジ４２に接着固定されているが、直動用巻線３２に接着などで固定させてもよいし、他のものに固定するようにしてもよい。直動用巻線３２は、ステータ３３に接着固定されているが、回転用コアレス巻線３１を固定し、その固定された回転用コアレス巻線３１に接着などで固定させ、ステータ３３に固定させないようにしてもよい。また、直動用巻線３２は、他の固定物に接着などで固定させるようにしてもよい。ステータ３３は、ケース部４に接着固定されているが、他の固定部に接着などで固定されるようにしたり、また固定部に接着しないようにしたりしてもよい。なお、回転用コアレス巻線３１と直動用巻線３２のコイルは、中心が銅線であり、その銅線の外周に絶縁用のポリエステル樹脂が被覆されているものである。しかし、他の種類のコイルを使用してもよい。

ケース部４は、図１〜図４に示すように、軸線１１の一端部に配置される円形状のフロントフランジ４１と、軸線１１の他端部に配置される円形状のエンドフランジ４２と、両者の中間に配置される円筒状のケース４３とから主に構成される。

フロントフランジ４１は、アルミニウム材からなり、軸部２１と一端側の軸受け部５の両者が入る円形の孔を、中央に有している。エンドフランジ４２は、アルミニウム材からなり、軸部２１と他端側の軸受け部５の両者が入る円形の孔を、中央に有している。ケース４３は、プラスチック等の非磁性体から形成され、ステータ３３と接触し、ステータ３３を支持している。フロントフランジ４１とエンドフランジ４２とケース４３とで、可動部２のロータ部２２を囲む構成となっている。フロントフランジ４１とケース４３との固定およびエンドフランジ４２とケース４３との固定は、それぞれボルト４４で行われている。なお、ケース４３を軟磁性体とすることで、バックヨークとして機能させることも可能である。

軸受け部５は、図１〜図３に示すように、一端側に配置される回転兼リニア軸受け５３と、他端側に配置される回転兼リニア軸受け５４とから構成されている。回転兼リニア軸受け５３，５４の、ロータ部２２の側に面している部分に、円柱状の空間が生じるように、回転兼リニア軸受け５３，５４は、構成され、設置されている。一端側の空間は、フロントフランジ４１と回転兼リニア軸受け５３とで囲まれた空間となっており、他端側の空間は、エンドフランジ４２と回転兼リニア軸受け５４とで囲まれた空間となっている。この空間には、回転トルク測定用のボールベアリングが取付け可能である。また、この空間には、可動部２の回転や直動を検出するためのセンサーを配置可能である。また、この空間は、軸部２１との摺動を減少させつつ、内部空間の拡大や減量化に寄与している。

回転兼リニア軸受け５３，５４は、軸受鋼で形成され、全体形状が円柱形で、その中央の孔を通過する可動部２が回転する際、および可動部２が軸線１１の方向に前後動する際に、軸部２１に接触し、その回転と直動を支持する。回転兼リニア軸受け５３，５４は、共に円柱状の軸受けで、フロントフランジ４１とエンドフランジ４２に対して、複数のボルト５５によって固定されている。

（回転用コアレス巻線３１の構成と、その巻線相と回転用円形マグネット２５の着磁関係）
図５〜図８に示すように、回転用コアレス巻線３１は、六角形状に巻回されたコイルをプレス成形により平帯状にした後、円筒状に成形する、いわゆるコダック方式と呼ばれる方式で製作されており、巻線部分が非常に薄くされた、円筒状になっている（特に、図５，６参照）。この回転用コアレス巻線３１は、２４セグメントであり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相が各４個形成され、またＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各反転相（各図ではＵ、Ｖ、Ｗの上に横線が付加されているもの）が各４個形成され、計２４セグメントとなっている。なお、回転用円形マグネット２５の着磁は８ポールとなっているため、８ポール２４セグメントのブラシレスモータとなっている。

回転直動駆動装置１では、後述する駆動回路７０に指令パルスが１パルス入力されると、通常は、３０度、可動部２は回転する構成となっている。しかし、この回転直動駆動装置１は、この機械的に決まるステップ角である３０度を、電子回路によってさらに分割し、微小な角度で回転させるマイクロステップ駆動を採用している。

このマイクロステップ駆動では、励磁相を２つの相と３つの相とし、それらを交互に繰り返すことで、さらに、反転相を交えての制御を行うことで、モーター固有のステップ角（この例では、３０度）をさらに分割して滑らかに回転させている。すなわち、可動部２は、１パルスにて１．８７５度、回転する構成とされている。よって、１９２回、この動作を繰り返すことで、１回、すなわち、３６０度分回転する。なお、三相の各相は、スター結線となっているが、デルタ結線としてもよい。

（直動用巻線３２の構成と、その巻線相と直動用円形マグネット２６，２７の着磁関係）
図９〜図１２に示すように、直動用巻線３２は、巻線部分の径方向厚さが、回転用コアレス巻線３１の径方向厚さに比べ厚くされた、円筒状になっている。この直動用巻線３２は、１２セグメントであり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相が各２個形成され、またＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各反転相（各図ではＵ、Ｖ、Ｗの上に横線が付加されているもの）が各２個形成され、計１２セグメントとなっている。１２セグメントの１つ１つは、図９，１０に示すように、コイルが円輪状に巻回された巻線構成部３５となっている。この巻線構成部３５は、巻線が巻回されている本体部３６と、本体部３６から引き出されている２本の引き出し線部３７，３７とを有している。

巻線構成部３５が軸線１１の方向に１２個、積み重ねられて、円筒状の直動用巻線３２が構成される。直動用巻線３２の内部に配置される直動用円形マグネット２６，２７の着磁は、２ポールとなっているため、２ポール１２セグメントのブラシレスモータとなっている。三相の各相は、スター結線となっているが、デルタ結線としてもよい。

後述する駆動回路７０に指令パルスが１パルス入力されると、可動部２は、０．８７５ｍｍ直動する構成となっている。これは、直動用円形マグネット２６，２７のそれぞれの軸線１１の方向の長さが１０．５ｍｍであるので、１パルスで動く距離は、１つの直動用円形マグネットの軸方向長さの１／１２となる。たとえば、５０パルスで４３．７５ｍｍ直動するものとしているが、他の数値を採用してもよい。

（可動部２の詳細構成）
図１３〜図１５に示すように、可動部２は、円柱状の軸部２１と、ロータ部２２とから主に構成されている。ロータ部２２は、軟磁性体、たとえばフェライト系ステンレス鋼からなり、内部を中実化させているロータヨーク２３と、ロータヨーク２３の外周に固着されているマグネット部２４とを有している。マグネット部２４は、１つの回転用円形マグネット２５と、２つの直動用円形マグネット２６，２７から構成されている。ここで、ロータヨーク２３と回転用円形マグネット２５とで、回転用ロータ部が形成され、ロータヨーク２３と２つの直動用円形マグネット２６，２７とで、直動用ロータ部が形成されている。

回転用円形マグネット２５は、ネオジウム（Ｎｄ）、鉄（Ｆｅ）、ホウ素（Ｂ）を主成分とするネオジム焼結磁石から形成されており、図７、図１６に示すように、外周上にＮ極、Ｓ極が交互に着磁され、全体形状が円筒状とされている。この回転用円形マグネット２５とロータヨーク２３とで、回転用ロータ部を形成している。２つの直動用円形マグネット２６，２７は、共に、ネオジウム（Ｎｄ）、鉄（Ｆｅ）、ホウ素（Ｂ）を主成分とするネオジム焼結磁石から形成されており、全体形状が円筒状とされている。２つの直動用円形マグネット２６，２７は、図１１，１８，１９に示すように、共に、内径と外径が異極となるように着磁されており、両者は、軸方向に重ねられ、その着磁関係を隣接するものが逆となるようにされている。なお、図１８では、着磁状況が、直動用円形マグネット２６とものとなっているが、直動用円形マグネット２７は、ＮＳが逆となっている。２つの直動用円形マグネット２６，２７とロータヨーク２３とで、直動用ロータ部を形成している。

回転用円形マグネット２５は、図１７に示すように、円筒状とされ、その外周の直径Ｌ１が５２ｍｍ、径方向厚さＬ２が１０ｍｍ（内周の直径が３２ｍｍ）、軸方向厚さＬ３が２１ｍｍとされている。直動用円形マグネット２６，２７は、図１９に示すように、円筒状とされ、その外周の直径Ｍ１が５２ｍｍ、径方向厚さＭ２が１０ｍｍ（内周の直径が３２ｍｍ）、軸方向厚さＭ３が１０．５ｍｍとされている。直動用円形マグネット２６，２７の合計の軸方向長さは、２１ｍｍで、回転用円形マグネット２５の軸方向厚さと同じとされている。直動用円形マグネット２７については、図２１に示す他の案のように、円筒状とし、その外周の直径Ｎ１を５２ｍｍ、径方向厚さＮ２を７ｍｍ（内周の直径が３８ｍｍ）、軸方向厚さＮ３を１０．５ｍｍとし、径方向厚さを直動用円形マグネット２６に比べ薄くするようにしてもよい。

（駆動回路７０とその周辺の説明）
回転直動駆動装置１を駆動するための駆動回路７０とその周辺を、図２２を参照しながら説明する。駆動回路７０は、三相ステッピングモータドライバであり、指令を与えるためのパソコン、ＰＬＣ等の上位装置７１と入出力信号用ケーブル７２を介して接続され、また、駆動電流および内部回路への電源供給として、電源用ケーブル７３を介してＤＣ電源７４へ接続されている。本実施例では、山洋電気株式会社製ＰＭＤＳＡ１Ｓ３Ｐ０１を回転駆動制御用と直動駆動制御用に計２台使用している。

この回転直動駆動装置１の場合、駆動回路７０は、回転直動駆動装置１の外部に設置しているが、回転直動駆動装置１の内部に設置してもよい。また、駆動回路７０の一部を駆動回路７０の外部に設置し、他の一部を内部に設置するようにしてもよい。

（回転直動駆動装置１の動作）
回転直動駆動装置１は、回転動作、直動動作共にステップパルス駆動によるオープンループ制御を行っている。オープンループ制御のため、変位量や速度を監視するためのエンコーダ等を必要とせず、コストの低減や装置の減量化に寄与している。しかし、変位量や速度を監視するためのエンコーダ等を付加して、クローズループ制御としてもよい。

駆動回路７０は、パソコン、ＰＬＣ等の上位装置７１から与えられる回転方向（移動方向）、パルスレート、励磁信号等の指令に基づいて所定の励磁シーケンスの駆動パルスを回転直動駆動装置１に供給する。本実施例では、図２３（Ａ）に示すスター結線を採用しており、励磁シーケンスは、図２３（Ｂ）のようになっている。また、本実施例では、マイクロステップ制御を行っており、指令パルスを電流制御により１６分割し回転直動駆動装置１に供給している。これにより、振動や騒音の低減や高精度な位置決めが可能となっている。回転直動駆動装置１は、回転駆動部、直動駆動部にそれぞれ別の指令に基づいた駆動パルスが供給され、回転、直動動作を行う。つまり、回転動作、直動動作についてそれぞれ任意の制御を行うことが可能であり、回転動作を停止状態のまま、直動のみ駆動させることや、その逆に、直動動作を停止状態のまま、回転のみ駆動させることも可能である。さらには、回転動作と直動動作を同時に行わせることも可能である。

また、駆動回路７０の暴走が生じたとき、可動部２の直動を停止させるため、フロントフランジ４１とエンドフランジ４２がストッパとしての機能を果たしている。すなわち、可動部２が一端側（フロントフランジ４１側）に動いたとき、制御できず、さらにフロントフランジ４１の方向に動くとき、このフロントフランジ４１がストッパになり、可動部２のフロントフランジ４１側への動きを阻止する。同様に、可動部２が他端側（エンドフランジ４２側）に動いたとき、制御できず、さらにエンドフランジ４２の方向に動くとき、このエンドフランジ４２がストッパになり、可動部２のエンドフランジ４２側への動きを阻止する。

（第１の実施の形態に係る回転直動駆動装置１の効果）
第１の実施の形態に係る回転直動駆動装置１によれば、回転駆動部が固定子３の一部を構成し、可動部２のマグネット部２４を囲むように円筒状にされた回転用コアレス巻線３１を有し、直動駆動部が固定子３の一部を構成し、円筒状のコアレス巻線３１を囲むように円筒状にされた直動用巻線３２を有しているので、回転力を得やすく、かつ径方向の厚みを小さくでき、小型化しやすいものとなる。

また、回転用コアレス巻線３１の径方向厚みを、直動用巻線３２の径方向厚みより、薄くしている。このため、回転直動駆動装置１が径方向に小型化しやすくできる。また、直動用巻線３２がマグネット部２４に近接して配置でき、十分な直動力を得やすいものとなる。

また、回転用ロータ部に近い直動用円形マグネット２６の径方向厚さと、回転用ロータ部から遠い直動用円形マグネット２７の径方向厚さとを同じにしている。このため、組み立て易くなり、コストも低減される。なお、回転用ロータ部に近い直動用円形マグネット２６の径方向厚さを、回転用ロータ部から遠い直動用円形マグネット２７の径方向厚さに比べ厚くしてもよい。このような構成とすると、直動用円形マグネット２６は、回転用円形マグネット２５の影響が少なくなる。また、薄い直動用円形マグネット２８は、薄くても、厚い直動用円形マグネット２６と同等の機能を有するものとなる。また、回転用ロータ部の回転用円形マグネット２５の軸方向厚さと、複数の直動用円形マグネット２６，２７の軸方向厚さの合計とを同じとしているので、駆動開始時の慣性力計算が容易で、設計しやすいものとなる。

また、可動部２の回転を支持すると共に直動を支持する回転兼リニア軸受け５３，５４を有しているので、回転と直動の２つをしっかり支持することができる。回転兼リニア軸受け５３，５４の、ロータ部２２の側に面している部分に、円柱状の空間が設けられているので、この空間には、回転トルク測定用のボールベアリングまたは各種センサーを取付け可能となる。また、この空間は、軸部２１との摺動を減少させつつ、内部空間の拡大や減量化に寄与している。しかし、このような空間を設けないようにしてもよい。

また、回転駆動部と直動駆動部は、共にブラシレスモータでのステップパルス駆動で制御されるものとしているので、一般に普及している駆動回路を採用でき、安価な装置とでき、しかもステップパルス駆動であるため、制御しやすいものとなる。また、可動部２が直動する両方向に、可動部２が突き当たることで可動部２の直動を停止させるストッパ（フロントフランジ４１とエンドフランジ４２）が存在しているので、駆動回路７０が暴走などしても、軸部２１に直接または間接に取り付けられる負荷が損傷してしまう危険性が減少する。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る回転直動駆動装置１０１について、図２４を参照しながら説明する。

（回転直動駆動装置１０１の全体構成）
この回転直動駆動装置１０１は、第１の実施の形態に係る回転直動駆動装置１と同様に、全体が円柱状の形状であり、軸線１１１を中心として回転可能および軸線１１１が伸びる前後方向に移動可能に支持された可動部１２０と、この可動部１２０を、軸線１１１を中心に回転させるための回転駆動部および可動部１２０を軸線が伸びる方向に移動させる直動駆動部とを備える固定子１３０と、可動部１２０と固定子１３０の両者を覆うケース部１４０と、可動部１２０を支持する軸受け部１５０と、を有する。可動部１２０は、軸線１１１を中心として回転し、軸線１１１が伸びる前後の両方向に移動することができるため、この装置は、１つの可動部１２０を、回転と直動の両動作を行わせることができる駆動装置となる。

以下、回転直動駆動装置１０１が第１の実施の形態に係る回転直動駆動装置１と異なる点を主として説明する。主な相違点は、可動部１２０と軸受け部１５０の構成である。

この回転直動駆動装置１０１は、軸線１１１の方向の長さが２７７ｍｍで、直径が１６０ｍｍとなっている。回転直動駆動装置１の場合と同様にもっと大型化したり、さらに小型化したり、してもよい。なお、可動部１２０の直動のストロークは、１００ｍｍとされているが、ストロークは、もっと長くしたり、短くしたりしてもよい。可動部１２０のストロークの１００ｍｍは、可動部１２０が図２３で最も左方に直動した場合、その先端は、ケース部１４０から５０ｍｍ突出した状態となり、可動部１２０が図２３で最も右方に直動した場合では、その先端が、装置内に５０ｍｍ入り込んだ状態となる。図２３の左方の点線で示されている部分がストロークの範囲を示している。なお、図２３に示す状態が可動部１２０の中立位置となる。

（回転直動駆動装置１０１の各部の概略構成）
可動部１２０は、真鍮からなる軸部兼ベアリング受け１２１と、ロータ部１２２とから主に構成されている。軸部兼ベアリング受け１２１は、円柱形状とされている。ロータ部１２２は、軟磁性体、たとえばフェライト系ステンレス鋼からなるロータヨーク１２３と、このロータヨーク１２３の外周に固着されているマグネット部１２４と、ロータヨーク１２３を固着支持している、アルミニウム材からなる可動筒１２５と、ロータヨーク１２３と協働してマグネット部１２４の軸方向への移動を阻止するマグネット位置決め部１２６とを有している。

ロータヨーク１２３は、円筒状とされ、マグネット部１２４を接着固定している。マグネット部１２４は、スキュー着磁がされた回転直動両用のネオジ磁石からなるマグネットとされている。このスキュー着磁は、マグネットの表面に、Ｎ極とＳ極が軸方向にスキューしながら配置されているものである。回転直動駆動装置１では、マグネット部２４が１つの回転用円形マグネット２５と、２つの直動用円形マグネット２６，２７の計３個のマグネットで構成されていたが、この回転直動駆動装置１０１では、マグネット部１２４は、１つのマグネットで構成されている。なお、回転直動駆動装置１のように、複数のマグネットで構成するようにしてもよい。

可動筒１２５は、円形の底部１２７ａと、円筒状の円形壁１２７ｂとを有し、両者によって円柱状の空洞部１２８が形成されている。この空洞部１２８の少なくとも一部を、回転用コアレス巻線１３１が囲む円筒空間内に常時位置させると共に、空洞部１２８の空間をこの装置の外周空間に対して開放した構成にしている。この空洞部１２８には、負荷の一部または全部を配置するのが好ましい。マグネット位置決め部１２６は、アルミニウム材からなり、円筒状となっている。マグネット位置決め部１２６の他端側（空洞部１２８の開口とは反対側）には、ロータヨーク１２３に固着されたマグネット部１２４の一端側が接触し、マグネット部１２４が軸方向（特に一端側）に移動するのを阻止している。マグネット部１２４の他端側は、ロータヨーク１２３の他端側に設置され径方向外側に突出している部分、に接触し、軸方向（特に他端側）に移動するのを阻止している。また、ロータヨーク１２３と可動筒１２５とで、円筒状の隙間１２９を形成している。

固定子１３０は、上述のように、回転駆動部と直動駆動部とを有する。回転駆動部は、可動部１２０のマグネット部１２４を囲むように円筒状にされた回転用コアレス巻線１３１を有するものとされており、固定子１３０の一部を構成している。直動駆動部は、円筒状のコアレス巻線１３１を囲むように円筒状にされた直動用巻線１３２を有するものとされており、固定子１３０の一部を構成している。固定子１３０は、さらに、直動用巻線１３２を囲むように円筒状に形成された、プラスチック等の非磁性体からなるステータ１３３を有している。ステータ１３３は、回転駆動部と直動駆動部のそれぞれの一部を形成している。

回転用コアレス巻線１３１の径方向厚さ（Ｘ）は、直動用巻線１３２の径方向厚さ（Ｙ）に比べ、薄くされている。これは、回転直動駆動装置１と同様な関係となっている。このため、回転直動駆動装置１０１は、径方向に小型化される一方、直動用巻線１３２がマグネット部１２４に近接して配置されるため、十分な回転力と直動力を得やすいものとなる。この第２の実施の形態でも、「Ｘ＝Ｙ／６」としているが、「Ｘ＝Ｙ／１２〜Ｙ／３」とすると、薄型化しつつ、回転力と直動力を得やすいものとなるので好ましい。

回転用コアレス巻線１３１は、直動用巻線１３２に接着固定されているが、ケース部１４０など他の固定部に接着固定させてもよい。直動用巻線１３２は、ステータ１３３に接着固定されているが、回転用コアレス巻線１３１を固定し、その固定された回転用コアレス巻線１３１に接着などで固定させ、ステータ１３３に固定させないようにしてもよい。また、直動用巻線１３２は、他の固定物に接着などで固定させるようにしてもよい。ステータ１３３は、ケース部１４０に接着固定されているが、他の固定部に接着固定されるようにしたり、また固定部に接着しないようにしたりしてもよい。なお、回転用コアレス巻線１３１と直動用巻線１３２のコイルは、中心が銅線であり、その銅線の外周に絶縁用のポリエステル樹脂が被覆されているものである。しかし、他の種類のコイルを使用してもよい。

ケース部１４０は、軸線１１１の一端部に配置される円輪状の蓋部１４１と、軸線１１１の他端部に配置される円形状のエンドフランジ１４２と、両者の中間に配置される円筒状のケース１４３とから主に構成される。

蓋部１４１は、アルミニウム材からなり、可動部１２０が出入りする円形の孔を、中央に有している。エンドフランジ１４２は、アルミニウム材からなり、中央底部に、可動部１２０側に突出する円柱状の円柱部１４４を有している。ケース１４３は、アルミニウム材から形成され、ステータ１３３と接触し、ステータ１３３を支持している。蓋部１４１とケース１４３との固定およびエンドフランジ１４２とケース１４３との固定は、それぞれボルト１４５で行われている。

エンドフランジ１４２には、プラスチックから形成された、円筒状のガイド１６１が固着されている。このガイド１６１は、ロータヨーク１２３と可動筒１２５との間に形成された円筒状の隙間１２９に入り、可動部１２０が回転する際や直動する際、可動部１２０の案内をしている。蓋部１４１にマグネット位置決め部１２６が突き当たることで、可動部１２０の一端側への移動がメカ的に阻止され、エンドフランジ１４２にロータヨーク１２３が突き当たることで、可動部１２０の他端側への移動がメカ的に阻止される。すなわち、蓋部１４１とエンドフランジ１４２がメカ的なストッパとしての役割を果たしている。

軸受け部１５０は、可動筒１２５の回転を支持するボールベアリング１５１と、直動方向の支持を行う直動支持部１５２とから構成されている。

ボールベアリング１５１は、軸受鋼で形成され、全体形状が円形とされている。ボールベアリング１５１は、円形状の軸受けで、その中に複数のボールベアリング球が配置されている。なお、可動筒１２５の底部１２７ａの他端側には、突出した円柱状の突出軸部１６２が形成されており、ボールベアリング１５１は、その突出軸部１６２に接触し、その回転を支持する。

直動支持部１５２は、軸部兼ベアリング受け１２１と、円柱部１４４と、その両者の間に配置されるコイルバネとなるスプリング１６３とから構成されている。直動支持部１５２は、図２３に示す状態から、可動部１２０が一端側（左方）に動くと、スプリング１６３が伸びる。直動支持部１５２は、図２３に示す状態から、可動部１２０が他端側（右方）に動くと、スプリング１６３が圧縮される。スプリング１６３が伸びも圧縮もしない状態では、可動部１２０は、図２３に示す位置、すなわち、中立位置となる。なお、スプリング１６３が伸びも圧縮もしない状態を、可動部１２０が最も左方に位置する状態のときとしたり、可動部１２０が最も右方に位置する状態のときとしたり、その他の位置のときとしたり、してもよい。

回転用コアレス巻線１３１の構成と、直動用巻線３２の構成は、マグネット部１２４がスキュー着磁の構成であるため、回転直動駆動装置１とは異なる構成としてもよいが、同様な構成としている。同様に、回転直動駆動装置１を駆動するための駆動回路７０を、回転直動駆動装置１０１に採用しているが、他の回路構成を採用してもよい。

（第２の実施の形態に係る回転直動駆動装置１０１の効果）
回転直動駆動装置１０１は、回転直動駆動装置１と同様な効果を有している。回転直動駆動装置１０１は、さらに、空洞部１２８を有しているため、負荷の一部または全部をこの空洞部１２８に配置できる。この結果、負荷を含めた装置全体を小型化しやすくなる。また、スプリング１６３を使用しているので、電流が流れなくなったときの可動部１２０の位置を、スプリング１６３の中立位置により決定される位置とすることができる。このため、いわゆる初期位置が一定となり、負荷の動作が安定する。

（変更実施について）
以上、本発明を各実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の各実施の形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更実施が可能であり、たとえば、次のような変更も可能である。

上述の各実施の形態では、回転用コアレス巻線３１，１３１の径方向厚みを、直動用巻線３２，１３２の径方向厚みより、薄くしているが、両者の厚みを同じにしたり、直動用巻線３２，１３２の径方向厚みの方を薄くしたりしてもよい。また、第１の実施の形態では、回転用ロータ部に近い直動用円形マグネット２６の径方向厚さと、回転用ロータ部から遠い直動用円形マグネット２７の径方向厚さ、とを同じにし、かつ回転用ロータ部の回転用円形マグネット２５の軸方向厚さと、複数の直動用円形マグネット２６，２７の軸方向厚さの合計を同じとしているが、直動用円形マグネット２６，２７の径方向厚さを異なる厚さとしてもよい。たとえば、直動用円形マグネット２６の径方向厚さを、直動用円形マグネット２７の径方向厚さに比べ、厚くしてもよい。また、回転用ロータ部のマグネット部と、直動用ロータ部のマグネット部の軸方向厚さを異なるようにしてもよい。

また、第２の実施の形態では、可動部１２０の径方向中心に空洞部１２８を設け、空洞部１２８の少なくとも一部を回転用コアレス巻線１３１が囲む円筒空間内に常時位置させると共に、空洞部１２８の空間をこの回転直動駆動装置１０１の外周空間に対して開放した構成にしているが、このような空洞部１２８を設けないようにしてもよい。また、上述の各実施の形態では、ブラシレスモータとしているが、ステップモータを採用したり、他のモーター方式を採用したりしてもよい。

さらに、直動用円形マグネットを２つではなく、４つや６つなど半径方向の着磁が逆となる２つの磁石のペアを任意に増やしてもよい。また、直動用円形マグネット２６，２７の径方向厚さＭ２，Ｎ２を回転用円形マグネット２５の径方向厚さＬ２と同じにするのではなく、厚くしたり、薄くしたりしてもよい。また、回転用コアレス巻線３１，１３１はコアレスにしているが、回転用巻線は、コアレスにせず、突極に巻線を施すものにしてもよい。

また、回転用コアレス巻線３１，１３１と直動用巻線３２．１３２とは、各実施の形態とは逆の関係となるように配置してもよい。すなわち、回転用コアレス巻線３１，１３１を、直動用巻線３２．１３２の外側に配置してもよい。特に、空洞部１２８を設ける構成については、第１、第２の実施の形態のモーター構造に限定されるものではなく、他の形式のモーター、たとえば、突極を有するモーターなどを採用してもよい。

また、マグネット部２４は、回転用円形マグネット２５と直動用円形マグネット２６，２７の３個のマグネットで構成され、マグネット部１２４は、スキュー着磁をされた１個のマグネットで構成されているが、マグネット部２４をスキュー着磁された１個のマグネットで構成したり、マグネット部１２４を第１の実施の形態のように３個としたり、４固以上のマグネット構成にしたりしてもよい。さらに、他の着磁構成としてもよい。

１，１０１…回転直動駆動装置，２，１２０…可動部、３，１３０…固定子、４，１４０…ケース部、５，１５０…軸受け部、１１，１１１…軸線、２１，１２１…軸部、２２，１２２…ロータ部、２３，１２３…ロータヨーク（回転用ロータ部の一部，直動用ロータ部の一部）、２４，１２４…マグネット部、２５…回転用円形マグネット（回転用ロータ部の一部）、２６，２７…直動用円形マグネット（直動用ロータ部の一部）、３１，１３１…回転用コアレス巻線（回転駆動部の一部）、３２，１３２…直動用巻線（直動駆動部の一部）、３３，１３３…ステータ（回転駆動部と直動駆動部のそれぞれの一部）、４１…フロントフランジ（ストッパの機能あり）、４２…エンドフランジ（ストッパの機能あり）、５３，５４…回転兼リニア軸受け、１２８…空洞部

Claims (6)

1. 軸線を中心として回転可能および軸線が伸びる方向に移動可能に支持された可動部と、
   前記可動部を前記軸線中心に回転させるための回転駆動部と、
   前記可動部を前記軸線方向に移動させる直動駆動部と、を備え、
   前記回転駆動部は、固定子の一部を構成し、前記可動部のマグネット部を囲むように円筒状にされた回転用コアレス巻線を有し、
   前記直動駆動部は、前記固定子の一部を構成し、前記円筒状の回転用コアレス巻線を囲むように円筒状にされた直動用巻線を有すること、
   を特徴とする回転直動駆動装置。
2. 請求項１に記載の回転直動駆動装置において、
   前記回転用コアレス巻線の径方向厚みは、前記直動用巻線の径方向厚みより、薄いことを特徴とする回転直動駆動装置。
3. 請求項１に記載の回転直動駆動装置において、
   前記可動部は、
   外周上にＮ極、Ｓ極が交互に着磁された回転用円形マグネットを有する回転用ロータ部と、
   内径と外径が異極となるように着磁された直動用円形マグネットを複数、軸方向に重ね、その着磁関係は隣接するものが逆となるようにされた直動用ロータ部と、
   を有し、
   前記回転用ロータ部に近い前記直動用円形マグネットの径方向厚さが、前記回転用ロータ部から遠い前記直動用円形マグネットの径方向厚さ、と同じとされ、かつ前記回転用円形マグネットの軸方向厚さと、前記複数の直動用円形マグネットの軸方向厚さの合計とが同じとされていることを特徴とする回転直動駆動装置。
4. 請求項２または３に記載の回転直動駆動装置において、
   前記可動部の回転と前記可動部の直動とを支持する回転兼リニア軸受けを有し、前記回転兼リニア軸受けの、前記可動部のロータ部の側に面している部分に、円柱状の空間を設けていることを特徴とする回転直動駆動装置。
5. 請求項２または３に記載の回転直動駆動装置において、
   前記可動部の径方向中心に空洞部を設け、前記空洞部の少なくとも一部を前記回転用コアレス巻線が囲む円筒空間内に常時位置させると共に、前記空洞部の空間をこの装置の外周空間に対して開放したことを特徴とする回転直動駆動装置。
6. 請求項４または５に記載の回転直動駆動装置において、
   前記回転駆動部と前記直動駆動部は、共にブラシレスモータでのステップパルス駆動で制御される構成とし、前記可動部が直動する両方向に、前記可動部が突き当たることで前記可動部の直動を停止させるストッパが設けられていることを特徴とする回転直動駆動装置。