JP2659998B2

JP2659998B2 - リニアアクチュエータ

Info

Publication number: JP2659998B2
Application number: JP63141138A
Authority: JP
Inventors: 和雄町田; 英雄土屋
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1988-06-08
Filing date: 1988-06-08
Publication date: 1997-09-30
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: JPH01311844A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明はロボットなどを直動運動させる駆動源として
用いられるリニアアクチュエータに関する。

（従来の技術）ロボットなどに使用されている電気式アクチュエータ
のうち、直動運動を得るリニアアクチュエータとして
は、例えばねじを切ったねじ軸とナットとを組合せたボ
ールねじを構成要素とする機構が知られている。

従来の一般的なリニアアクチュエータは、第３図に示
すように、ねじ軸８の周囲にボール９を介してナット10
を噛合させた構造のボールねじを用い、ねじ軸８を軸受
30で軸支し、ナット10を回り止めし、ねじ軸８の一端に
モータ31を設けてねじ軸８を回転させることにより、ナ
ット10に連結された負荷21を直動運動させるものであ
る。

しかし、このようなねじ軸回転形のリニアアクチュエ
ータでは、ボールねじの一端にモータ31などの駆動部分
を配置するスペースが必要となるため、特に長さ方向に
小形化するには限界がある。

そこで、例えば特開昭60−9342号公報に記載されてい
るように、ねじ軸の外周にモータを配置し、ナット回転
させてこれに噛合したねじ軸を送りだして、油圧又は空
気圧シリンダの直動運動を模擬したリニアアクチュエー
タが知られている。このリニアアクチュエータについて
第４図を参照して説明する。

第４図において、フレーム１には第１の軸受２及び第
２の軸受３を介して、中空構造のロータシャフト４の一
端側にボールねじ（ねじ軸８、ボール９、ナット10）の
ナット10が一体的に結合され、かつねじ軸８がロータシ
ャフト４内に挿入された状態で軸支されている。ここ
で、第１の軸受２は軸方向及び軸直角方向の負荷を受け
ることができる例えばアンギュラコンタクト形のものを
組合せたものであり、ナット10の周囲に設けられてい
る。また、第２の軸受３は通常の軸受であり、ロータシ
ャフト４の端部の周囲に設けられている。ねじ軸８はこ
れと一体のボールスプライン軸部8aにおいてその外周に
設けられた外筒40が、フレーム１に固定されたハウジン
グ41に回り止めキー42を介して固定されることにより回
り止めされている。上記ロータシャフト４の外周にはロ
ータ43が取付けられ、これに対応してフレーム１には永
久磁石44及びヨーク45が取付けられている。上記ロータ
43には電源46からブラシ47及び整流器48を介して駆動電
流が通電される。

このようなナット回転形のリニアアクチュエータで
は、ねじ軸１の端部にモータなどの駆動機構を設けなく
てもよいという点で軸方向の小形化が期待できるが、更
に小形化することが要望されている。しかも、ブレーキ
手段を持たない場合、任意の位置に停止した後、外乱に
よって停止位置が変動するため、常にモータによる位置
決め制御を行わなければならないという問題があり、通
常はブレーキ手段が設けられる。また、モータの速度制
御及び位置制御を行うために、通常は回転検出センサが
設けられる。したがって、ブレーキ手段や回転検出セン
サを設けることを考慮すると、より一層の小形化を図る
必要がある。

また、第４図図示のリニアアクチュエータでは、ロー
タシャフト４、ロータ43、ナット10及び軸受２、３が一
体化・固定されているため、メンテナンスのためにはボ
ールねじ部分だけを取外せることが望ましいにもかかわ
らず、他の部分も分解しなければならない。

（発明が解決しようとする課題）本発明は上記課題を解決するためになされたものであ
り、特に軸方向に小形化でき、かつメンテナンスのため
にボールねじ部分を容易に着脱でできるリニアアクチュ
エータを提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明のリニアアクチュエータは、軸受により回転自
在に軸支された中空構造のロータシャフト、該ロータシ
ャフトに取付けられたロータ及びこれに対応する固定子
を有するモータと、上記ロータシャフトに結合されたナ
ット、ボール及びねじ軸を有するボールねじと、可動部
材及び電磁的機構を有し上記ロータシャフトの回転を拘
束する電磁ブレーキとを具備し、ボールねじのナットを
回転させたときのねじ軸の直動変位を出力として得るリ
ニアアクチュエータにおいて、上記ボールねじのナット
をロータシャフトの中空部に嵌合させ、ナットの外周に
対応する位置にモータのロータ及び固定子を配置すると
ともに、上記ロータシャフトを軸支する軸受のうち軸方
向及び軸直角方向の負荷を同時に受ける軸受の外周に電
磁ブレーキの電磁的機構を配置したことを特徴とするも
のである。

（作用）このようなリニアアクチュエータによれば、ボールね
じのナットの外周にロータシャフトを介して及び固定子
が配置され、かつロータシャフトを軸支する軸受のうち
軸方向及び軸直角方向の負荷を同時に受ける軸受の外周
に電磁ブレーキの電磁的機構が配置されており、軸方向
に沿って多くの部材を配置した構造をとっていないの
で、軸方向に小形化することができる。また、ボールね
じを構成するナットをシャフトに嵌合しているので、メ
ンテナンスのためにボールねじ部分のみを容易に着脱・
交換することができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例に係るリニアアクチュエー
タの構成図である。このリニアアクチュエータは、モー
タとして永久磁石回転界磁形ブラシレスDCモータを、ブ
レーキとして電磁ディスクブレーキをそれぞれ用いたも
のである。

第１図において、アクチュエータフレーム１には第１
の軸受２及び第２の軸受３を介して中空のロータシャフ
ト４が軸支されている。第１の軸受２は、軸方向及び軸
直角方向の負荷を同時に受けられるように複数個のアン
ギュラコンタクト形の軸受の正面又は背面合せで組合せ
たものである。また、第２の軸受３は通常の深溝形のも
のである。このロータシャフト４の外周にはロータ５が
取付けられ、その周面に永久磁石６が取付けられてい
る。一方、フレーム１には、ロータ５周面の永久磁石６
に近接するように、モータステータ７が取付けられてい
る。このモータステータ７はサーボコントローラ20に接
続されている。

上記ロータシャフト４の中空部には、ねじ軸８及びこ
のねじ軸８にボール９を介して噛合するナット10からな
るボールねじのナット10が嵌合されている。このねじ軸
８はナット10の回転による摩擦で自転しないように、図
示しないリニアベアリングなどの他の手段で回り止めさ
れている。このような構成により、ナット10の外周にロ
ータシャフト４を介してロータ５、永久磁石６及びモー
タステータ７が配置されている。このモータでは、トル
ク発生部分までの半径が大きいので同じ発生電磁力で発
生トルクが大きくなる。

上記ロータシャフト４の第１の軸受２側の外周には、
中空構造の回転ディスク11が回転方向のトルクを伝え軸
方向の摺動には自由度を有する例えばスプライン軸受な
どの機構で取付けられており、ロータ５との間に復元ば
ね12が設けられている。一方、フレーム１には回転ディ
スク11に対向し、かつ第１の軸受２の外周に対応する位
置に電磁石13が取付けられている。このブレーキでは回
転ディスク11の摺動面11aまでの半径が大きいので、ブ
レーキ押付け力が同じでもブレーキトルクが大きくな
る。

上記ロータシャフト４の第２の軸受３側の外周には中
空構造の回転スリット14が取付けられ、フレーム１には
これに対応して光学式エンコーダ15が取付けられ、回転
検出センサを構成している。この光学式エンコーダ15は
サーボコントローラ20に接続されている。

このような構成のリニアアクチュエータの動作につい
て説明する。すなわち、サーボコントローラ20からモー
タステータ７に駆動電流が通電されると、ロータ５、ロ
ータシャフト４及びナット10が正逆に回転し、自転を拘
束されているねじ軸８が直動運動してその一端に連結さ
れた負荷21を駆動させる。ロータシャフト４の回転は光
学式エンコーダ15によって検出され、回転方向と回転速
度に応じたセンサ信号がサーボコントローラ20に入力さ
れ、これに基づいて駆動電流が制御されるので、サーボ
アクチュエータとして直動運動の正逆方向の速度制御及
び位置制御が可能になる。また、ブレーキに関しては、
電磁石13を励磁していないときは、回転ディスク11は復
元ばね12によって引張られ、回転ディスク11の摺動面11
aとフレーム１に設けられた固定側摺動面1aとが離れた
位置に保持されるのでブレーキは働かない。一方、電磁
石13を励磁すると電磁吸引力により回転ディスク11が軸
方向に吸引されてその摺動面11aが固定側摺動面1aに押
付けられ、回転ディスク11の回転が拘束されるのでブレ
ーキとして機能する。

このようなリニアアクチュエータによれば、ボールね
じを構成するナット10の外周にロータシャフト４を介し
てモータの構成部材であるロータ５、永久磁石６及びモ
ータステータ７を配置しているので、アクチュエータの
軸方向の長さを短くできる。同様に、ロータシャフト４
を軸支する第１の軸受２の外周に対応する位置にブレー
キを構成する電磁石13を配置しているので、アクチュエ
ータの軸方向の長さを短くできる。また、ボールねじを
構成するナット10をロータシャフト４に嵌合しているの
で、アクチュエータ本体を分解することなく、ボールね
じ部分のみを容易に着脱し、交換することができる。

また、上記実施例で使用されているブレーキでは、回
転ディスク11に軸方向から押付け力を作用させてそれに
よる摩擦を利用している。こうしたブレーキでは、拘束
・解放に伴う動作距離が少ないほど開閉動作が速く、開
閉に必要なエネルギも少なくてすむので、短い動作距離
を常時確保できることが望ましい。しかるに、リニアア
クチュエータでは直動運動に伴い軸方向に働く力が存在
し、しかもロータシャフト４とフレーム１とで材質の線
膨張係数が異なると広い温度範囲では軸方向の膨張差が
生じる。このため、ロータシャフト４に取付けられる回
転ディスク11の摺動面11aと固定側摺動面1aとのギャッ
プが狭くなって接触したり、逆にギャップが広くなって
回転拘束時に十分な押付け力が得られずブレーキ力が確
保できなくなるおそれがある。これに対して、第１図に
示すようにロータシャフト４の定位置を確保し得るアン
ギュラコンタクト形の第１の軸受２の近傍に回転ディス
ク11を配置すれば、回転ディスク11の定位置を確保する
のに有利になる。

第２図は本発明の他の実施例に係るリニアアクチュエ
ータの構成図である。このリニアアクチュエータは、ロ
ータシャフトの回転を拘束するブレーキとして、供給さ
れている電力が遮断されたときに回転を拘束する負作動
形のディスクブレーキを用いたものである。第２図は第
１図とほぼ同様な構成を有するので、第１図と同一部材
には同一番号を付して説明を省略し、第１図と異なる構
成について詳細に説明する。

第２図において、ロータシャフト４の第１の軸受２側
の外周には、中空構造の回転ディスク11が回転方向のト
ルクを伝え軸方向の摺動には自由度を有する例えばスプ
ライン軸受などの機構で取付けられており、ロータ５と
の間に復元ばね12が設けられている。この回転ディスク
11の一方の面はフレーム１に設けられた固定側摺動面1a
に対向し、他方の面はリング状の可動鉄片16に対向し、
可動鉄片16とフレーム１との間にはブレーキ押付けばね
17が設けられている。また、可動鉄片16近傍のフレーム
１には電磁石13が設けられている。なお、第２図では、
第１図の場合と異なり、中空構造の回転スリット14及び
これに対応する光学式エンコーダ15も第１の軸受２側に
取付けられている。

第２図図示のリニアアクチュエータでは、電磁石13に
通電して励磁すると可動鉄片16が引付けられ、回転ディ
スク11は復元ばね12の働きで自由に回転できる位置まで
軸方向に動き、ブレーキは解放される。一方、電磁石13
が励磁されないときにはブレーキ押付けばね17の力で可
動鉄片16が押され、回転ディスク11の摺動面11aが固定
側摺動面1aに押付けられ、摩擦力により回転ディスク11
の回転が拘束される。

第２図図示のリニアアクチュエータでも第１図図示の
ものと同様な効果が得られることは勿論である。更に、
第２図図示のリニアアクチュエータでは、停電時などの
非常時にフェイルセーフを実現できる。すなわち、本発
明で対象となっているリニアアクチュエータを重力に垂
直な方向に直動運動させる用途に適用し、使用中に停電
が起きた場合、ボールねじのバックドライブ効率がよい
と、負荷の自重でボールねじが逆駆動してナットが回転
し、ねじ軸の位置が変動してしまうことがある。そし
て、第１図で使用されているような通常のブレーキは、
電流を通電して回転を拘束するものであるため、停電時
には回転を拘束できず、垂直な方向の直動運動が得る用
途では危険である。これに対して、第２図のように負作
動形のブレーキを用いた場合、停電時には上述したよう
に回転を拘束するので、フェイルセーフを実現できる。

また、ブレーキの場合と同様に、回転検出センサにつ
いても可動部分と固定部分とのギャップが変化すると、
センサの検出性能に問題が生じることがあるが、第２図
に示すようにロータシャフト４の定位置を確保し得るア
ンギュラコンタクト形の第１の軸受２の近傍に回転検出
センサを配置すれば、上述したギャップを確保するにも
有利になる。

なお、以上ではモータとしてブラシレスDCモータを用
いた場合について説明したが、ステッピングモータや、
一般的なブラシを有するいわゆるDCモータなどを用いて
もよいことは勿論である。ただし、上記実施例のように
ブラシレスDCモータを用いれば、ブラシ交換のメンテナ
ンスや電磁ノイズの低減に有利であり、発熱源となる電
機子巻線がステータ側になるので放熱の点でも有利であ
る。また、以上では回転検出センサとして回転スリット
及び光学式エンコーダからなるものを用いたが、その構
造は中空構造であればドラム形、ディスク形など他の構
造でもよく、検出方式も光学式に限らず磁気式、接触式
など他の方式も使用可能である。

［発明の効果］以上詳述したように本発明のリニアアクチュエータに
よれば、ストロークが同じであっても軸方向の長さを短
縮して小形化・軽量化することができ、メンテナンスの
ためにアクチュエータ本体を分解することなくボールね
じ部分のみを着脱・交換することができるなど顕著な効
果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるリニアアクチュエー
タの構成図、第２図は本発明の他の実施例におけるリニ
アアクチュエータの構成図、第３図は従来のねじ軸回転
形のリニアアクチュエータの構成図、第４図は従来のナ
ット回転形のリニアアクチュエータの構成図である。１……アクチュエータフレーム、２……第１の軸受、３
……第２の軸受、４……ロータシャフト、５……ロー
タ、６……永久磁石、７……モータステータ、８……ね
じ軸、９……ボール、10……ナット、11……回転ディス
ク、13……復元ばね、13……電磁石、14……回転スリッ
ト、15……光学式エンコーダ、16……可動鉄片、17……
ブレーキ押付けばね、20……サーボコントローラ、21…
…負荷。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き審査官田良島潔 (56)参考文献特開昭60−9342（ＪＰ，Ａ) 実開昭49−102905（ＪＰ，Ｕ) 実開昭48−52005（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軸受により回転自在に軸支された中空構造
のロータシャフト、該ロータシャフトに取付けられたロ
ータ及びこれに対応する固定子を有するモータと、上記
ロータシャフトに結合されたナット、ボール及びねじ軸
を有するボールねじと、可動部材及び電磁的機構を有し
上記ロータシャフトの回転を拘束する電磁ブレーキとを
具備し、ボールねじのナットを回転させたときのねじ軸
の直動変位を出力として得るリニアアクチュエータにお
いて、上記ボールねじのナットをロータシャフトの中空
部に嵌合させ、ナットの外周に対応する位置にモータの
ロータ及び固定子を配置するとともに、上記ロータシャ
フトを軸支する軸受のうち軸方向及び軸直角方向の負荷
を同時に受ける軸受の外周に電磁ブレーキの電磁的機構
を配置したことを特徴とするリニアアクチュエータ。