JP3916389B2

JP3916389B2 - Linear / rotary actuator

Info

Publication number: JP3916389B2
Application number: JP2000298173A
Authority: JP
Inventors: 一幸北沢; 豊竹内
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: JP2001165271A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットのアームや巻線機のノズルなどのように、直進（リニア）と回転の両方の運動をする機械または機器を駆動するための直進・回転アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばロボットのアームや巻線機のノズル等を駆動する場合に、直進運動と回転運動（一軸運動）を個別に行うだけでなく、両方の運動（二軸運動）を同時に行うことができるアクチュエータを必要とする場合がある。このような二軸運動を行うアクチュエータとしては、単純には、直線運動を行うアクチュエータと回転運動を行うアクチュエータとをそれぞれ組み合わせた、即ち回転駆動用モータと直進のための直進駆動用モータとを独立して設けて１つの出力軸に複雑な伝達機構を介して動力を伝達して回転と直進の二軸運動を行わせるタイプの直進・回転アクチュエータと、回転駆動用モータと直進駆動用モータを直線状に並べて設け、複雑な伝達機構を介さずに直接的に出力軸を回転または直進させるタイプの直進・回転アクチュエータとがある。この後者のアクチェータの一例としては、特開平５−２９６３０８号公報に、軸線が共通になるように直線状に並置した２つのモータにより、１本の出力軸に直進運動と回転運動の二軸運動を行わせる直進・回転アクチュエータが開示されている。また特開平６−２９２３４３号公報には、前者の直進・回転アクチェータと後者の直進・回転アクチュエータの両方が開示されている。
【０００３】
特開平６−２９２３４３号公報に示された直進・回転アクチュエータでは、１本の出力軸にボールねじとスプラインとが形成されている。ボールねじとスプラインは、伝達機構を介してまたは直接回転駆動用モータと直進駆動用モータによって駆動される。しかしながらこの公報に示された構造では、回転運動を行わせる際に、直進駆動用モータのロータが停止状態にあると、回転駆動用モータのロータの回転に伴って出力軸が直進運動をしてしまう問題が発生する。この問題を解消するためには、回転駆動用モータを回転させる際に、直進駆動用モータを協調制御しなければならず、２つのモータの制御が非常に複雑になる上、制御ミスまたは制御のズレが発生しやすい問題がある。
【０００４】
また特開平５−２９６３０８号公報に示された後者の直進・回転アクチュエータは、直進と回転をする一本の出力軸を有し、出力軸にはボールねじが切られ、また出力軸にはスプラインが設けられている。ボールねじは、直進駆動用モータにより駆動させて回転するナットと螺合しており、スプラインは回転駆動用モータにより駆動されて回転するシャフトの溝に直進を許容するように嵌合されている。そして直進駆動用モータを駆動するとナットが回転して出力軸が直進し、回転駆動用モータを駆動するとシャフトを介して出力軸が回転するようになっている。この直進・回転アクチュエータは、比較的構造が簡単で全体の寸法もコンパクトに構成できる。しかしながら、この直進・回転アクチュエータでは、直進運動と回転運動が機械的に同期しているため、二軸運動を個別に行わせることができない。例えば回転運動だけをさせようとしても、ボールねじがナットに対して回転してしまい、所定の位置で直進運動を停止させたまま回転させることはできない。同様に、直進・回転を同時に行わせようとすると、一方の方向には直進させることができるが、他方の方向には直進の速度が制限され、あるいは直進させることができない。このような制約のため、この直進・回転アクチュエータは汎用性に乏しいという問題があった。
【０００５】
また従来提案されている直進・回転アクチュエータは、直進運動と回転運動を任意に且つ確実に行うことができないため、巻線機のノズルを動かす場合に要求されるようないわゆるボックス運動（直進−回転−直進−回転）を速い速度で繰り返し行うような用途には、不適であった。
【０００６】
本発明の目的は、回転駆動用モータと直進駆動用モータを軸線を共有するように並べて、しかも直進運動と回転運動との両方を同時に、あるいはそれぞれ別個に行わせることができ、簡単且つ確実に行わせることのできる直進・回転アクチュエータを提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、構造が簡単であり且つコンパクトな直進・回転アクチュエータを提供することにある。
【０００８】
本発明の更に他の発明は、回転運動の制御が容易な直進・回転アクチュエータを提供することにある。
【０００９】
【発明の概要】
本発明は、出願人の先願に係るＵＳＳＮ０９／２１２，０３０（ＵＳＰ６，０８１，０５１）に示された，リニアモータを利用した直進・回転アクチュエータをベースにして発明された。本発明の直進・回転アクチュエータは、中空の直進軸を可動子として有するリニアモータと、前方部分及び後方部分にそれぞれ所定の長さの前方スプライン部及び後方スプライン部が形成され、前方スプライン部及び後方スプライン部が形成されていない中間部分が直進軸の内部を中間軸受構造を介して回転可能な状態で貫通する出力軸と、出力軸の前方スプライン部に嵌合するナットと、ナットを直接または伝達機構を介して回転させて出力軸を回転させる回転駆動用モータと、固定部に固定された後方スプライン部の軸線方向へのスライドを許容し且つ出力軸の回転を許容するように後方スプライン部を支持する後方側軸受構造とを備えている。後方側軸受構造を採用すると、出力軸を両持ち構造に支持できるので、振動の発生が少なくなる。出力軸を回転駆動用モータにより駆動して回転させるために、出力軸に前方スプライン部及び後方スプライン部を設け、この前方スプライン部に嵌合したナットを直接回転させて出力軸を回転駆動用モータにより回転させる。ナットを伝達機構を介して回転させて出力軸を回転駆動用モータにより駆動させることもできる。
【００１０】
ここで、「スプライン部」とは、軸の軸線に沿った動きを許容するもので、前記の前方スプライン部にはいわゆるスプラインナットと呼ばれるナットが嵌合される。前方スプライン部はこのスプラインナットと呼ばれるナットが固定された状態では軸の回転を阻止し、逆にこのナットが非固定状態において回転力が加わると、ナットから伝わる回転力を軸に伝達する機能を果たすものである。また、出力軸の後方に形成されている後方スプライン部には回転力を伝達するためのナットは嵌合されていない。後方スプライン部は、直進・回転アクチュエータの固定部に固定されて、軸線方向へのスライドと出力軸の回転とを行うことができるような後方側軸受構造に支持されている。この前方スプライン部及び後方スプライン部は軸線方向に延びる溝または突起のいずれの形態をなしていてもよく、その構造は任意である。そして、前方スプライン部に嵌合されるナットは、前方スプライン部と係合して軸の周囲を回動しないものである。
【００１１】
より具体的に特定した本発明の直進・回転アクチュエータは、フレームに対して固定された固定子と中空の直進軸を可動子として有するリニアモータと、前方部分及び後方部分にそれぞれ所定の長さの前方スプライン部及び後方スプライン部が形成され、前方スプライン部及び後方スプライン部が形成されていない中間部分が直進軸の内部を中間軸受構造を介して回転可能な状態で貫通する出力軸と、出力軸の前方スプライン部に嵌合されて前方スプライン部の軸線方向へのスライドを許容するナットと、中空構造を有し且つ内部にナットが固定された回転軸に回転子が固定され且つフレームに固定子が固定された回転駆動用モータと、回転軸をフレームに対して回転自在に支持する前方側軸受構造と、フレームに対して固定された固定部に固定された外輪及び後方スプライン部の軸線方向へのスライドを許容するように、後方スプライン部に嵌合された内輪を有する後方側軸受構造とを備えている。
【００１２】
直進軸を駆動する直進駆動用モータにはリニアモータを用い、直進軸を直接リニアモータの可動子として用いて駆動する。回転駆動用モータの種類は任意であるが、制御性を向上させるためにはサーボモータやステップモータを用いるのが適している。リニアモータを用いるときは回転駆動用モータの回転軸を中空構造とし、またリニアモータの可動子を直進軸とし、直進軸に対して回動自在に固定された出力軸を構成するように回転駆動用モータの回転軸の中心部を通る長さにする。回転駆動用モータの回転軸には出力軸に設けた前方スプライン部と嵌合するナットを固定する。
【００１３】
本発明では直進駆動用モータとしてリニアモータを用いるので、直進軸をスプライン部やねじ部を用いずに直接的に駆動することができ、直進・回転アクチュエータの構造は非常に簡単になる。特にリニアモータとして、中空の直進軸を可動子とするリニアモータを用い、直進軸の内部を中間軸受構造を介して回転可能な状態で出力軸が貫通する構造を採用すると、直進・回転アクチュエータをコンパクトに構成することができる。
【００１４】
また、本発明ではリニアモータの直進軸が出力軸を中心にして回動するのを防止する回り止め機構を直進軸と固定部との間に構成している。このような回り止め機構を用いると、直進軸から発生する振動が少なくなる。この回り止め機構は、出力軸の回転方向に等しい間隔を開けて複数設けてもよい。
【００１５】
また後方側軸受構造が、直進軸の後方側に配置された固定部に固定されている場合には、前述の回り止め機構を、直進軸に固定されて後方側に延びる細長い棒状部材と、固定部に設けられて棒状部材と嵌合し且つ軸線方向へのスライドは許容するが出力軸を中心して棒状部材が回転するのを阻止するガイド部材とから構成することができる。
【００１６】
なお棒状部材の後方端部の位置を検出する位置センサを更に設けると、出力軸の原点位置の検出を簡単に行えるので、出力軸の直進方向への位置制御が容易になる。
【００１７】
また、後方側軸受構造をより前方側に配置するためには、固定部を直進軸の後方側に配置された固定部本体と、後方端部が固定部本体に固定され且つ直進軸及び出力軸と同心的に配置されて直進軸と出力軸との間を前方に向かって延びる筒状部材とから構成する。そして後方側軸受構造を筒状部材の前方端部に固定する。この場合、回り止め機構は、固定部本体に固定されて前方側に延びる細長い棒状部材と、直進軸に設けられて棒状部材と嵌合し且つ直進軸の軸線方向へのスライドは許容するが出力軸を中心して直進軸が回動するのを阻止するガイド部材とから構成する。このとき筒状部材の長さは、中間軸受構造と後方側軸受構造とが近接して配置されるように定める。このような構造を採用すると、中間軸受構造と後方側軸受構造との距離が短くなり、また後方側軸受構造を直進軸の内部に配置することになるので、出力軸の長さを短くすることができ、直進・回転アクチュエータ本体の全長を短く（コンパクトに）することができる。
【００１８】
この直進・回転アクチュエータによれば、リニアモータを駆動することにより直進軸が軸線方向に直進運動を行い、直進軸とともに出力軸が直進運動を行う。出力軸は中間軸受構造を介して直進軸を貫通するため、出力軸が回転しても直進軸が回転することはない。一方、回転駆動用モータを駆動することにより出力軸が回転しても、回転駆動用モータの回転軸に設けたナットが、出力軸に設けたスプライン部と嵌合しているので、出力軸は回転運動をしながら直進運動することができる。直進軸は中空の構造であり、出力軸の前方スプライン部及び後方スプライン部が形成されていない部分（中間部分）が直進軸の内部を中間軸受構造を介して回転可能な状態で貫通している。すなわち、出力軸が中間軸受構造を介して直進軸を同心的に回転可能に貫通している。これにより、出力軸は直進軸の直進に従って直進するが、直進軸は出力軸の回転に拘らず回転することはない。よって、所定の位置で出力軸だけを回転させることや、出力軸の回転を直進運動と非同期で制御することもできるので、本発明の直進・回転アクチュエータは汎用性に優れているとともに構造が簡単でコンパクトに構成できる。なお、直進運動と回転運動とを同期させる場合には、リニアモータと回転運動用モータにそれぞれ回転検出器（エンコーダ）を取り付けておき、各回転検出器の出力に基づいて電気的に同期を取ればよい。
【００１９】
回転駆動用モータは、減速機構等の伝達機構を介して出力軸に設けたスプライン部と嵌合するナットを回転させて出力軸を回転させるものでもよい。
【００２０】
また本発明の直進・回転アクチュエータは、フレームに対して固定された固定子と中空の直進軸を可動子として有するリニアモータと、前方部分及び後方部分にそれぞれ所定の長さの前方スプライン部及び後方スプライン部が形成され、前方スプライン部及び後方スプライン部が形成されていない中間部分が直進軸の内部を中間軸受構造を介して回転可能な状態で貫通する出力軸と、出力軸の前方スプライン部に嵌合されて前方スプライン部の軸線方向へのスライドを許容するナットと、中空構造を有し且つ内部を出力軸が貫通する回転軸に回転子が固定され且つフレームに固定子が固定された回転駆動用モータと、回転軸とナットとの間に配置されて回転軸の回転を減速してナットに伝達する減速機構と、回転軸をフレームに対して回転自在に支持する前方側軸受構造と、フレームに対して固定された固定部に固定された外輪及び後方スプライン部の軸線方向へのスライドを許容するように後方スプライン部に嵌合された内輪を有する後方側軸受構造とを備えている。この場合、減速機構は、中心歯車が回転軸に設けられ、中心歯車の周りを回転する遊星歯車が固定された回転体がナットに結合された遊星歯車機構からなっている。このとき、回転体は軸受構造を介してフレームに回転自在に支持されている。このような減速機構を採用することにより回転運動を容易に制御することができ、また減速機構を用いると、小型モータを使用しても高トルクの回転運動をさせることが可能となる。
【００２１】
また、本発明では励磁コイルが励磁された状態で非ブレーキ状態となり、励磁コイルが励磁されていない状態でブレーキ状態になる電磁ブレーキ機構を回転駆動用モータと減速機構との間に配置する。この場合、電磁ブレーキ機構は、回転駆動用モータへの通電が停止されると、励磁コイルが非励磁状態になるように構成する。このような電磁ブレーキ機構を採用すると、通電を停止した状態で、ブレーキが働くため、非励磁状態で出力軸が回転して事故が発生するのを阻止することができる。また出力軸を後方側に移動させる力を出力軸に常時付与するバネ機構を更に設ければ、出力軸が下側に向かって延びる姿勢でアクチュエータが使用される場合に、停電が発生しても、出力軸はバネ機構により上に引き上げあれるため、出力軸が下がり過ぎて事故が発生するのを防止できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の直進・回転アクチュエータの一つの実施の形態を示す部分断面図で、出力軸及び直進軸について軸線（Ｘ−Ｘ）を含む水平面で上下に分割し、後方部分を全体的に断面にして示したものである。図１の直進・回転アクチュエータ１は、軸線（Ｘ−Ｘ）を共有するように並んで配置された直進駆動用モータとしてのリニアモータＡと回転駆動用モータＢとを備えている。本実施例では回転駆動用モータＡとしてサーボモータを用い、直進駆動用モータＡとしてシリンダ型のリニア同期モータを用いている。
【００２３】
図１において、回転駆動用モータＢは直進・回転アクチュエータ１のフレーム３内の前方空洞部内に回転駆動用モータＢの駆動部（回転部）が位置するように構成されている。回転駆動用モータＢの回転子５は、中空構造を有してスプラインナット（以下ナットと称す）９が固定された回転軸１１の上に複数の永久磁石１０が固定された構造を有している。また、回転駆動用モータＢの固定子１３はフレーム３に固定されている。回転軸１１は２つの軸受７ａ及び７ｂからなる前方側軸受構造によってフレーム３に対して回転自在に支持されている。ナット９は、出力軸１５の前方部分に所定の長さに渡って形成された前方スプライン部１７に嵌合されており、出力軸１５が軸線（Ｘ−Ｘ）方向にスライドすることを許容している。前方スプライン部１７には突起状のスプライン突起が軸線方向に沿って所定の長さにわたって形成されており、またナット９にはこのスプライン突起と嵌合するように軸線方向に溝が形成されている。また、出力軸１５の後方部分には軸線方向に沿って所定の長さに渡って後方スプライン部１９が形成されている。前方及び後方スプライン部１７、１９が形成されていない出力軸１５の部分（中間部分）は、リニアモータＡの可動子からなる筒状の直進軸２３の内部を３つの軸受２１ａ、２１ｂ、２１ｃからなる中間軸受構造を介して回転可能な状態で貫通している。軸受２１ａ〜２１ｃの外輪及び内輪は直進軸２３と出力軸１５とにそれぞれ固定されている。後方スプライン部１９は後方側軸受構造２９によって支持されている。この後方側軸受構造２９はロータリ型スプラインナットと呼ばれるもので、後方スプライン部１９を軸線（Ｘ−Ｘ）方向にスライドさせることができるとともに、出力軸１５を回転させることができるように構成されている。具体的には、フレーム３に固定されて形成されている固定部３５の固定部本体３６に固定されている外輪３３と後方スプライン部１９に嵌合されている内輪３１とを有している。内輪３１は後方スプライン部１９を軸線（Ｘ−Ｘ）方向にスライドさせることができるナットを構成するものである。
【００２４】
直進軸２３を可動子とするリニアモータＡは、フレーム３内部に収納されている。リニアモータＡ内のステータ２２は、複数の分割コア２４…の間に複数の磁励用巻線２６が配置された構造を有している。なお、このリニアモータＡの構造の詳細はＵＳＳＮ０９／５２０，７４１に詳しく説明されているので説明は省略する。
【００２５】
直進軸２３の外面には複数の永久磁石２５ａ〜２５ｈからなる複数の永久磁石列２５が周方向に間隔をあけて配置されており、複数の永久磁石列２５の間の部分は一部分にはリニアモータＡの位置を検出するための位置検出スケール２７が設けられている。そしてフレーム３には位置検出スケール２７に対応して検出センサ２８が固定されている。また、直進軸２３の後方部分には回転駆動用モータＢの駆動により出力軸１５が回転する際に、軸受２１ａ〜２１ｂを介して伝わる力で直進軸２３が回転しようとする動きを阻止するための回り止め機構３７が形成されている。回り止め機構３７は、直進軸２３と固定部３５との間に配置されており、直進軸２３に一端が固定されて後方（図の右側）に延びる４本の細長い棒状部材３９…と、これら４本の棒状部材３９…が嵌合される４つのガイド部材４１…とから構成されている。４つのガイド部材４１は、固定部本体３６に周方向に等間隔をあけて配置されている。これらガイド部材４１は棒状部材３９を軸線（Ｘ−Ｘ）方向に沿ってスライドさせることができる内部にボールベアリングが入ったＬＭブッシュと呼ばれる軸受である。
【００２６】
本実施の形態の直進・回転アクチュエータ１に回転運動のみを行わせる場合には、回転駆動用モータＢの固定子１３の巻線に励磁電流を流して、回転軸１１を回転させる。回転軸１１が回転すると、回転軸１１に取り付けられたナット９によって出力軸１５が回転する。このとき直進軸２３は停止しているが、中間軸受構造（２１ａ〜２１ｃ）と後方側軸受構造２９とが回転可能であるため、出力軸１１は回転する。
【００２７】
一方、直進・回転アクチュエータ１に直進運動のみを行わせる場合には、リニアモータＡのステータ２２の励磁巻線２６に励磁電流を流し、この励磁巻線２６に流れる励磁電流の通電方向を順次変えて直進軸２３の永久磁石列２５の永久磁石２５ａ〜２５ｈと固定子側磁極との間に直進軸２３を軸線方向（Ｘ−Ｘ）に変位させる推力を発生する。直進軸２３の移動に伴って出力軸１５が直線運動をする。
【００２８】
直進と回転とを同時に行わせる場合には、リニアモータＡのステータ２２の励磁巻線２６及び回転駆動用モータＢの固定子１３の巻線に同時に通電する。出力軸１５は独立して回転し、また直進軸２３も出力軸１５の回転速度と無関係に独立して直進する。したがってこの例では、一方の運動が他方の運動に影響を及ぼすことがなく、直進と回転との運動を同時に自在に行わせることができる。なお、直進運動と回転運動とを同期させる場合には、回転運動用モータに回転検出器（エンコーダ）を取り付けておき、回転検出器の出力に基づいて電気的に同期を取ればよい。
【００２９】
図２は、本発明の直進・回転アクチュエータの他の実施の形態を示す部分断面図であり、図１と同様に軸線（Ｘ−Ｘ）を含む水平面で上下に分割し、後方部分を全体的に断面にして示している。なお、図２においては図１の例で用いた部材と同様の機能を有するものに、図１に付した符号に１００の数を加えた数字の符号を付して説明は省略する。
【００３０】
図２に示した直進・回転アクチュエータと図１に示した直進・回転アクチュエータとの相違は、回り止め機構１３７を構成する棒状部材１３９とこの棒状部材１３９を保持しているガイド部材１４１との位置を逆に配置したことと、後方スプライン部１１９をリニアモータＡの直進軸１２３の内部に配置したことである。
【００３１】
この例では、後方側軸受構造１２９をより前方側に配置するために、固定部１３５を直進軸１２３の後方側に配置された固定部本体１３６と、後方端部が固定部本体１３６に固定され且つ直進軸１２３及び出力軸１１５と同心的に配置されて直進軸１２３と出力軸１１５との間を前方に向かって延びる筒状部材１３８とから構成する。そして後方側軸受構造１２９を筒状部材１３８の前方端部に固定する。この場合、回り止め機構１３７は、固定部本体１３６に固定されて前方側に延びる４本の細長い棒状部材１３９と、直進軸１２３に設けられて棒状部材１３９と嵌合し且つ出力軸１１５の軸線（Ｘ−Ｘ）方向へのスライドは許容するが出力軸１１５を中心にして直進軸１２３が回動するのを阻止するガイド部材１４１とから構成する。
【００３２】
図３は図２の実施の形態の構造を説明するために用いる図である。図３に示すように直進軸１２３は周方向に９０°の間隔をあけて配置され、径方向外側に向かって突出する４つの突出部１２３ａを備えている。そしてこれら４つの突出部１２３ａに一般的にＬＭブッシュと呼ばれるガイド部材１４１が取付けられており、これらガイド部材１４１にそれぞれ棒状部材１３９がスライド可能に嵌合されている。筒状部材１３８の長さは、中間軸受構造（１２１ａ〜１２１ｄ）と後方側軸受構造１２９とが近接して配置されるように定める。このような構造を採用すると、中間軸受構造（１２１ａ〜１２１ｄ）と後方側軸受構造１２９との距離が小さくなり、また後方側軸受構造１２９を直進軸１２３の内部に配置することになるので、出力軸１１５の長さを短くすることができ、直進・回転アクチュエータ１０１の全長を短く（コンパクトに）することができる。
【００３３】
上記２つの実施の形態によれば、直進運動の最高速度を２ｍ／ｓｅｃ以上にすることができる。
【００３４】
図４は本発明に係る直進・回転アクチュエータの更に他の実施の形態を示す部分断面図であり、図１と同様に軸線（Ｘ−Ｘ）を含む水平面で上下に分割し、後方部分を全体的に断面にして示したものである。図４においては図１の例で用いた部材と同様の部分には、図１に付した符号の数に２００の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。
【００３５】
図４に示した直進・回転アクチュエータと図１に示した直進・回転アクチュエータとの相違は、軸線方向に離れた回転軸２１１とナット２０９との間に減速機構２４３を配置したことと、回転駆動用モータＢと減速機構２４３との間に電磁ブレーキ機構２５７を設置したことと、直進・回転アクチュエータ２０１の後方側にバネ機構２６３を配置した点にある。
【００３６】
減速機構２４３は、回転軸２１１の前方側の端部外周部上に機械加工を施して形成した中心歯車２４５と、この中心歯車２４５と噛み合って中心歯車２４５の周りを回転する３つの遊星歯車２４７と、内周面の中央に遊星歯車２４７と噛み合う歯車が形成されてフレーム２０３に対して固定された円筒状の外側固定歯車２４９と、３つの遊星歯車２４７の前方側に配置されて３つの遊星歯車２４７の回転軸が回転自在に固定される円環状の前方側回転体２５１と、３つの遊星歯車２４７の後方側に固定されて３つの遊星歯車２４７と一緒に回転する円環状の後方側回転体２５３と、前方側回転体２５１に固定されたフランジ付の筒体２５０と、出力軸２１５が貫通する貫通孔を有して筒体２５０の前方側開口端部を塞ぐ閉塞板２５５とから構成されている。前方側回転体２５１と後方側回転体２５３とは環状のベアリング２５５及び２５６を介して外側固定歯車２４９の軸線方向両側に形成された一対の開口部内に回転自在に収納されている。
【００３７】
回転駆動用モータＢが回転して回転軸２１１が回転すると、中心歯車２４５から遊星歯車２４７が回転しながら中心歯車２４５の周囲を回転し、遊星歯車２４７が回転自在に固定された前方側回転体２５１及びこの回転体に固定された筒体２５０が回転軸２１１の回転数よりも低い回転数で回転する。筒体２５０が回転すると、その内側に嵌合固定したナット２０９が減速された回転数で回転し、この回転がナット２０９から出力軸２１５に伝達されて、出力軸２１５も低い回転数で回転する。
【００３８】
電磁ブレーキ機構２５７は、回転駆動用モータＢと減速機構２４３との間に配置されている。この電磁ブレーキ機構２５７は、回転軸２１１に固定されたハブ２５９と、フレーム３側に固定されて励磁コイル２６１と、この励磁コイル２６１によって駆動されてハブ２５９と接触する一対のブレーキパッド２６３とから構成されている。ハブ２５９は、回転軸２１１の外周部のハブ圧入部にキー２５８を介して固定されている。ハブ２５９は、回転軸２１１と同心的に配置された円板部２６０を有しており、この円板部が一対のブレーキバッド２６３，２６３の間に配置されている。この電磁ブレーキ機構２５７は、励磁コイル２６１が励磁されている状態で、２枚のブレーキパッド２６３を相対的に離すように動作している。そして励磁コイル２６１が非励磁状態になると、２枚のブレーキパッドは相対的に近づいて、２枚のブレーキパッド２６３，２６３でハブ２５９の円板部２６０を挟むようになる。これによって停電が発生したときや、電源スイッチをオフにした時には、自動的にブレーキがかかるようになる。
【００３９】
直進・回転アクチュエータ２０１の後方側軸受け機構２２９の内輪部２３１の後方側端面にはバネ機構２６３が固定されている。このバネ機構２６３は、常時圧縮状態にあるコイルスプリング２６５の軸線方向の両端にエンドプレート２６７及び２６９が固定された構造を有している。一方のエンドプレート２６７が、内輪部２３１に固定され、他方のエンドプレート２６９が出力軸２１９の後方側端面に固定されている。後方側軸受け機構２２９は、固定部２３５に固定された外輪部２３３とその内部に複数のボール２３２を介して配置された内輪部２３１とから構成されている。内輪部２３１の内側には、出力軸２１９の外周部に設けた後方側スプライン部が嵌合されており、出力軸２１９の軸線方向への移動を許容して、しかも出力軸２１９と一緒に回転する。出力軸２１９が前方側に移動すると、バネ機構２６３のコイルスプリング２６５は更に圧縮される。リニアモータＡの励磁が解除されると、出力軸２１９はコイルスプリング２６５のバネ力によって強制的に後方側へ移動させられる。したがって停電や、電源スイッチをオフ状態にした時には、アクチュエータの姿勢のいかんにかかわらず、出力軸２１９は後方側へ移動する。
【００４０】
また直進軸２２３に固定されて後方に延びている１本の棒状部材２３９の後方端部の軸線方向の位置を検出する近接スイッチ２７１がカバー部材２４０に固定されている。この近接スイッチ２７１を設けて、棒状部材２３９の位置を正確に検出すれば、近接スイッチ２７１で検出する棒状部材２３９の特定の位置を原点位置として、出力軸２１５の直線運動の位置決め制御が高くなる。
【００４１】
本例で直進・回転アクチュエータ１に回転運動のみを行わせる場合には、回転駆動モータＢの固定子２１３の巻線に励磁電流を流して回転軸２１１を回転させる。回転軸２１１が回転すると、回転軸２１１に設けられている中心歯車２４５が回転し、中心歯車２４５の周りを回転する遊星歯車２４７が固定されている減速機構２４３の前方側回転体２５１が回転する。すると、前方側回転体２５１に筒体２５０により連結されているナット２０９と出力軸２１５とが回転し、回転運動を行う。そして、直進・回転アクチュエータ２０１の外部から通電され動作している回転駆動用モータＢへの通電を停止すると、電磁ブレーキ機構２５７の励磁コイル２６１が非励磁状態となりブレーキをかけることができる。
【００４２】
本例によれば、回転軸２１１とナット２０９との間に減速機構２４３を配置するので、回転軸の回転を所定の回転数まで減速することができ、高トルクの回転運動が可能となる。また、回転駆動用モータＢと減速機構２４３との間に電磁ブレーキ機構２５７を配置するので、回転軸に適宜にブレーキをかけることができ回転運動の制御が容易になる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の直進・回転アクチュエータによれば、回転運動と直進運動とを別個に行わせることも両方を同時に行わせることも自在であり、従って巻線機を含めたさまざまな用途に適用できる利点がある。
【００４４】
また、本発明によれば、直進運動を高速で行うことができるので直進・回転アクチュエータ全体の運動を高速に行うことができる。
【００４５】
更に本発明によれば、直進・回転アクチュエータの軸線方向の寸法を短くすることができて、しかも駆動する際の振動の発生を少なくできるという利点が得られる。
【００４６】
また本発明の直進・回転アクチュエータによれば、回転運動の速度を自由に制御できるので、様々な用途に適用することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の直進・回転アクチュエータの一つの実施の形態を示す部分断面図であり、出力軸及び直進軸について軸線（Ｘ−Ｘ）を含む水平面で上下に分割し、後方部分を全体的に断面にして示したものである。
【図２】本発明の直進・回転アクチュエータの他の実施の形態を示す部分断面図であり、出力軸及び直進軸について軸線（Ｘ−Ｘ）を含む水平面で上下に分割し、後方部分を全体的に断面にして示したものである。
【図３】図２の実施の形態の構造を説明するために用いる図である。
【図４】本発明の直進・回転アクチュエータの他の実施の形態を示す部分断面図であり、出力軸及び直進軸について軸線（Ｘ−Ｘ）を含む水平面で上下に分割し、後方部分を全体的に断面にして示したものである。
【符号の説明】
１，１０１，２０１直進・回転アクチュエータ
７，１０７，２０７前方側軸受構造
９、１０９，２０９ナット
１１、１１１，２１１回転軸
１５、１１５，２１５出力軸
１７、１１７，２１７前方スプライン部
１９、１１９，２１９後方スプライン部
２１，１２１，２２１中間軸受構造
２３、１２３，２２３直進軸
２９、１２９，２２９後方側軸受構造
３１、１３１，２３１内輪
３３、１３３，２３３外輪
３５、１３５，２３５固定部
３６、１３６，２３６固定部本体
３７、１３７，２３７回り止め機構
３８、１３８，２３８筒状部材
３９、１３９，２３９棒状部材
４１、１４１，２４１ガイド部材
２４３減速機構
２４５中心歯車
２４７遊星歯車
２４９外側固定歯車
２５７電磁ブレーキ機構
２６１励磁コイル
Ａリニアモータ
Ｂ回転駆動用モータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a linear / rotary actuator for driving a machine or device that moves both linearly and linearly, such as a robot arm and a nozzle of a winding machine.
[0002]
[Prior art]
For example, when driving the arm of a robot, the nozzle of a winding machine, etc., an actuator that can perform both movements (biaxial movement) simultaneously as well as linear movement and rotational movement (uniaxial movement) individually. You may need it. As an actuator that performs such biaxial motion, simply, an actuator that performs linear motion and an actuator that performs rotational motion are combined, that is, a rotary drive motor and a straight drive motor for linear motion are independent of each other. A linear / rotary actuator of a type that transmits power to a single output shaft through a complicated transmission mechanism to perform two-axis motion of rotation and rectilinear motion, and a linear motor drive motor and a rectilinear drive motor There is a linear / rotary actuator of a type that is arranged side by side and directly or directly rotates the output shaft without using a complicated transmission mechanism. As an example of the latter actuator, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-296308 discloses a biaxial motion of a linear motion and a rotational motion on one output shaft by two motors arranged in a straight line so that the axes are common. A rectilinear / rotary actuator is disclosed. Japanese Patent Laid-Open No. 6-292343 discloses both the former linear / rotary actuator and the latter linear / rotary actuator.
[0003]
In the linear / rotary actuator disclosed in JP-A-6-292343, a ball screw and a spline are formed on one output shaft. The ball screw and the spline are driven by a transmission mechanism or by a direct rotation drive motor and a straight drive motor. However, in the structure shown in this publication, if the rotor of the linear drive motor is in a stopped state when the rotary motion is performed, the output shaft performs a straight motion as the rotor of the rotary drive motor rotates. Problem occurs. In order to solve this problem, when the rotary drive motor is rotated, the linear drive motor must be coordinated and control of the two motors becomes very complicated. There is a problem that misalignment is likely to occur.
[0004]
The latter rectilinear / rotary actuator disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-296308 has one output shaft that linearly rotates and rotates, the output shaft is ball screwed, and the output shaft is splined. Is provided. The ball screw is screwed into a nut that is rotated by being driven by a linear drive motor, and the spline is fitted in a groove of a shaft that is driven by the rotary drive motor to rotate. When the linear drive motor is driven, the nut rotates and the output shaft advances straight, and when the rotary drive motor is driven, the output shaft rotates through the shaft. This linear / rotary actuator has a relatively simple structure and can be configured with a compact overall size. However, in this linear / rotary actuator, since the linear motion and the rotational motion are mechanically synchronized, the biaxial motion cannot be performed individually. For example, even if only the rotational motion is attempted, the ball screw rotates with respect to the nut, and cannot be rotated while the linear motion is stopped at a predetermined position. Similarly, if it is attempted to perform straight advancement and rotation at the same time, it is possible to go straight in one direction, but the speed of straight travel is limited in the other direction, or it is not possible to go straight. Due to such restrictions, this linear / rotary actuator has a problem of poor versatility.
[0005]
In addition, since the rectilinear / rotary actuators that have been proposed in the past cannot arbitrarily and reliably perform rectilinear motion and rotational motion, the so-called box motion (straight / rotary) required when moving the nozzle of the winding machine is required. It was unsuitable for applications in which (straight-running) was repeated at a high speed.
[0006]
The object of the present invention is to arrange the rotation drive motor and the rectilinear drive motor so as to share the axis, and to allow both the rectilinear motion and the rotational motion to be performed simultaneously or separately, easily and reliably. An object of the present invention is to provide a linear / rotary actuator that can be performed.
[0007]
Another object of the present invention is to provide a linear / rotary actuator that has a simple structure and is compact.
[0008]
Still another aspect of the present invention is to provide a linear / rotary actuator that can easily control a rotational motion.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION
The present invention was invented based on a linear / rotary actuator using a linear motor shown in USSN 09 / 212,030 (USP 6,081,051) according to the applicant's previous application. The linear / rotary actuator of the present invention includes a linear motor having a hollow linear axis as a mover, and a front spline portion and a rear spline portion each having a predetermined length formed in a front portion and a rear portion, respectively. An output shaft through which the intermediate part without the spline part penetrates inside the rectilinear shaft in a rotatable state via the intermediate bearing structure, a nut fitted to the front spline part of the output shaft, and the nut directly or transmitted A rotation driving motor that rotates the output shaft by rotating it through a mechanism, and a rear spline portion that allows the rear spline portion fixed to the fixed portion to slide in the axial direction and to allow the output shaft to rotate. And a rear bearing structure for supporting. When the rear side bearing structure is adopted, the output shaft can be supported by the both-end support structure, so that the generation of vibration is reduced. In order to drive and rotate the output shaft by the rotation drive motor, the output shaft is provided with a front spline portion and a rear spline portion, and the nut fitted to the front spline portion is directly rotated to rotate the output shaft. Rotate with. It is also possible to rotate the nut via the transmission mechanism and drive the output shaft by the rotation driving motor.
[0010]
Here, the “spline portion” allows movement along the axis of the shaft, and a so-called spline nut is fitted to the front spline portion. The front spline has a function to prevent the rotation of the shaft when the nut called the spline nut is fixed, and conversely, when the rotational force is applied when the nut is not fixed, the rotational force transmitted from the nut is transmitted to the shaft. To fulfill. Further, a nut for transmitting rotational force is not fitted to the rear spline portion formed behind the output shaft. The rear spline part is fixed to the fixed part of the linear / rotary actuator, and is supported by a rear bearing structure that can slide in the axial direction and rotate the output shaft. The front spline portion and the rear spline portion may be in the form of a groove or a protrusion extending in the axial direction, and the structure thereof is arbitrary. And the nut fitted to the front spline part engages with the front spline part and does not rotate around the shaft.
[0011]
More specifically, the linear / rotary actuator of the present invention includes a linear motor having a stator fixed to a frame and a hollow linear axis as a mover, and a predetermined length in each of a front part and a rear part. An output shaft in which a front spline portion and a rear spline portion are formed, and an intermediate portion in which the front spline portion and the rear spline portion are not formed passes through the inside of the rectilinear shaft in a rotatable state via an intermediate bearing structure; and an output shaft A nut that is fitted to the front spline portion of the shaft and allows the front spline portion to slide in the axial direction, and a rotor is fixed to a rotary shaft having a hollow structure and having a nut fixed therein, and a stator to the frame A rotation drive motor with a fixed shaft, a front bearing structure that rotatably supports the rotation shaft with respect to the frame, and a fixed portion fixed with respect to the frame. To allow a constant slides in the axial direction of the outer ring and the rear spline section, and a rear-side bearing structure having a mated inner rearward spline portion.
[0012]
A linear motor is used for the linear drive motor that drives the linear axis, and the linear axis is directly used as a mover of the linear motor. The type of motor for rotation drive is arbitrary, but it is suitable to use a servo motor or a step motor in order to improve controllability. When a linear motor is used, the rotary shaft of the rotary drive motor has a hollow structure, and the linear motor mover is a linear shaft, and the rotary drive is configured to constitute an output shaft that is rotatably fixed to the linear shaft. The length should pass through the center of the motor's rotating shaft. A nut to be fitted to the front spline portion provided on the output shaft is fixed to the rotation shaft of the rotation driving motor.
[0013]
In the present invention, since the linear motor is used as the linear drive motor, the linear drive shaft can be directly driven without using a spline part or a screw part, and the structure of the linear / rotary actuator becomes very simple. In particular, as a linear motor, if a linear motor with a hollow linear shaft is used as the mover and the output shaft penetrates in a state that the inside of the linear shaft can be rotated through the intermediate bearing structure, the linear / rotary actuator can be It can be configured compactly.
[0014]
Further, in the present invention, a rotation preventing mechanism that prevents the linear motor shaft of the linear motor from rotating about the output shaft is configured between the linear motor shaft and the fixed portion. When such a detent mechanism is used, vibration generated from the straight axis is reduced. A plurality of anti-rotation mechanisms may be provided at equal intervals in the rotation direction of the output shaft.
[0015]
Further, when the rear bearing structure is fixed to a fixed portion arranged on the rear side of the rectilinear shaft, the above-described detent mechanism is fixed to the elongated rod-like member that is fixed to the rectilinear shaft and extends rearward. And a guide member that is fitted to the rod-shaped member and allows sliding in the axial direction but prevents the rod-shaped member from rotating about the output shaft.
[0016]
If a position sensor for detecting the position of the rear end of the rod-shaped member is further provided, the origin position of the output shaft can be easily detected, so that the position control of the output shaft in the straight direction is facilitated.
[0017]
Further, in order to dispose the rear bearing structure on the front side further, a fixed portion main body in which the fixed portion is disposed on the rear side of the straight shaft, a rear end portion is fixed to the fixed portion main body, and the straight shaft and the output shaft And a cylindrical member that is arranged concentrically and extends forward between the straight axis and the output shaft. And a back side bearing structure is fixed to the front end part of a cylindrical member. In this case, the anti-rotation mechanism is fixed to the fixing portion main body and extends to the front side, and the elongate rod-like member is provided on the rectilinear shaft. And a guide member for preventing the rectilinear shaft from rotating about the shaft. At this time, the length of the cylindrical member is determined so that the intermediate bearing structure and the rear bearing structure are arranged close to each other. If such a structure is adopted, the distance between the intermediate bearing structure and the rear bearing structure will be shortened, and the rear bearing structure will be placed inside the linear shaft, so the length of the output shaft should be shortened. The total length of the linear / rotary actuator body can be shortened (compact).
[0018]
According to this linear / rotary actuator, the linear motor performs linear motion in the axial direction by driving the linear motor, and the output shaft performs linear motion along with the linear shaft. Since the output shaft passes through the straight shaft through the intermediate bearing structure, the straight shaft does not rotate even if the output shaft rotates. On the other hand, even if the output shaft rotates by driving the rotation drive motor, the nut provided on the rotation shaft of the rotation drive motor is fitted with the spline portion provided on the output shaft, so the output shaft is It can move straight while rotating. The rectilinear shaft has a hollow structure, and a portion (intermediate portion) in which the front spline portion and the rear spline portion of the output shaft are not formed penetrates the rectilinear shaft through the intermediate bearing structure in a rotatable state. . That is, the output shaft passes through the intermediate bearing structure so that it can rotate concentrically with the rectilinear shaft. As a result, the output shaft goes straight as the straight drive shaft goes straight, but the straight drive shaft does not rotate regardless of the rotation of the output shaft. Therefore, only the output shaft can be rotated at a predetermined position, and the rotation of the output shaft can also be controlled asynchronously with the linear motion. Therefore, the linear / rotary actuator of the present invention is excellent in versatility and simple in structure. Can be configured compactly. In order to synchronize linear motion and rotational motion, a rotation detector (encoder) is attached to each of the linear motor and the rotational motion motor, and electrical synchronization is obtained based on the output of each rotational detector. That's fine.
[0019]
The rotation drive motor may rotate the output shaft by rotating a nut fitted to a spline portion provided on the output shaft via a transmission mechanism such as a speed reduction mechanism.
[0020]
Further, the linear / rotary actuator of the present invention includes a linear motor having a stator fixed to a frame and a hollow linear axis as a movable element, and a front spline portion and a rear portion having a predetermined length at a front portion and a rear portion, respectively. An output shaft in which a spline portion is formed and an intermediate portion in which the front spline portion and the rear spline portion are not formed penetrates the inside of the rectilinear shaft in a rotatable state via an intermediate bearing structure, and the front spline portion of the output shaft A nut that is fitted and allows the front spline portion to slide in the axial direction, and a rotation that has a hollow structure and the rotor is fixed to a rotary shaft through which the output shaft passes and the stator is fixed to the frame A drive motor, a speed reduction mechanism that is disposed between the rotation shaft and the nut and decelerates the rotation of the rotation shaft and transmits the rotation shaft to the nut; And a rear bearing having a front bearing structure and an inner ring fitted to the rear spline so as to allow the outer ring fixed to the fixed part fixed to the frame and the rear spline to slide in the axial direction. Side bearing structure. In this case, the speed reduction mechanism includes a planetary gear mechanism in which a central gear is provided on a rotation shaft, and a rotating body to which a planetary gear rotating around the central gear is fixed is coupled to a nut. At this time, the rotating body is rotatably supported by the frame via the bearing structure. By adopting such a speed reduction mechanism, it is possible to easily control the rotational movement, and when the speed reduction mechanism is used, it is possible to perform a high-torque rotational movement even if a small motor is used.
[0021]
In the present invention, an electromagnetic brake mechanism that is in a non-brake state when the excitation coil is excited and is in a brake state when the excitation coil is not excited is disposed between the rotation drive motor and the speed reduction mechanism. In this case, the electromagnetic brake mechanism is configured such that when the energization to the rotation driving motor is stopped, the exciting coil is in a non-excited state. When such an electromagnetic brake mechanism is employed, since the brake works in a state where the energization is stopped, it is possible to prevent an accident from occurring due to the output shaft rotating in a non-excited state. In addition, if a spring mechanism that constantly applies force to the output shaft to move the output shaft to the rear side is further provided, even if a power failure occurs when the actuator is used with the output shaft extending downward, Since the output shaft is lifted up by the spring mechanism, it is possible to prevent the output shaft from being lowered and causing an accident.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing an embodiment of a linear / rotary actuator of the present invention. The output shaft and the linear axis are divided vertically by a horizontal plane including an axis (XX), and the rear portion is entirely arranged. Is shown in cross section. The linear / rotary actuator 1 of FIG. 1 includes a linear motor A and a rotational drive motor B as linear drive motors arranged side by side so as to share an axis (XX). In this embodiment, a servo motor is used as the rotational drive motor A, and a cylinder type linear synchronous motor is used as the linear drive motor A.
[0023]
In FIG. 1, the rotation drive motor B is configured such that the drive unit (rotation unit) of the rotation drive motor B is positioned in the front cavity in the frame 3 of the linear / rotation actuator 1. The rotor 5 of the rotational drive motor B has a structure in which a plurality of permanent magnets 10 are fixed on a rotating shaft 11 having a hollow structure and a spline nut (hereinafter referred to as a nut) 9 fixed thereto. Yes. Further, the stator 13 of the rotation drive motor B is fixed to the frame 3. The rotating shaft 11 is supported rotatably with respect to the frame 3 by a front bearing structure including two bearings 7a and 7b. The nut 9 is fitted to a front spline portion 17 formed on a front portion of the output shaft 15 over a predetermined length, and allows the output shaft 15 to slide in the axis (XX) direction. ing. A projection-like spline projection is formed on the front spline portion 17 over a predetermined length along the axial direction, and a groove is formed in the nut 9 in the axial direction so as to be fitted to the spline projection. . A rear spline portion 19 is formed in the rear portion of the output shaft 15 over a predetermined length along the axial direction. The portion (intermediate portion) of the output shaft 15 in which the front and rear spline portions 17 and 19 are not formed passes through the three linear bearings 21a, 21b, and 21c through the inside of the cylindrical rectilinear shaft 23 formed of the mover of the linear motor A. It penetrates in a rotatable state through the intermediate bearing structure. The outer rings and inner rings of the bearings 21 a to 21 c are fixed to the rectilinear shaft 23 and the output shaft 15, respectively. The rear spline portion 19 is supported by a rear bearing structure 29. The rear bearing structure 29 is called a rotary spline nut, and is configured so that the rear spline portion 19 can be slid in the axis (XX) direction and the output shaft 15 can be rotated. Yes. Specifically, it has an outer ring 33 fixed to a fixed portion main body 36 of a fixed portion 35 formed fixed to the frame 3 and an inner ring 31 fitted to the rear spline portion 19. The inner ring 31 constitutes a nut that can slide the rear spline part 19 in the axial direction (XX).
[0024]
The linear motor A having the linearly moving shaft 23 as a mover is housed inside the frame 3. The stator 22 in the linear motor A has a structure in which a plurality of magnetic excitation windings 26 are arranged between a plurality of divided cores 24. The details of the structure of this linear motor A are described in detail in USSN 09 / 520,741, and will not be described.
[0025]
A plurality of permanent magnet rows 25 composed of a plurality of permanent magnets 25a to 25h are arranged on the outer surface of the rectilinear shaft 23 at intervals in the circumferential direction, and a portion between the plurality of permanent magnet rows 25 is partially linear. A position detection scale 27 for detecting the position of the motor A is provided. A detection sensor 28 is fixed to the frame 3 corresponding to the position detection scale 27. In addition, when the output shaft 15 is rotated by the drive of the rotation drive motor B, the rear portion of the linear shaft 23 is prevented from moving by the force transmitted through the bearings 21a to 21b. A rotation prevention mechanism 37 is formed. The anti-rotation mechanism 37 is disposed between the rectilinear shaft 23 and the fixed portion 35, and has four elongated rod-like members 39 that are fixed at one end to the rectilinear shaft 23 and extend rearward (right side in the drawing). It is comprised from the four guide members 41 ... by which the four rod-shaped members 39 ... are fitted. The four guide members 41 are arranged on the fixed portion main body 36 at equal intervals in the circumferential direction. These guide members 41 are bearings called LM bushes in which ball bearings are contained inside that can slide the rod-shaped member 39 along the axis (XX) direction.
[0026]
When causing the linear / rotary actuator 1 of the present embodiment to perform only rotational motion, an excitation current is passed through the windings of the stator 13 of the rotation drive motor B to rotate the rotating shaft 11. When the rotating shaft 11 rotates, the output shaft 15 rotates by the nut 9 attached to the rotating shaft 11. At this time, the rectilinear shaft 23 is stopped, but the output shaft 11 rotates because the intermediate bearing structure (21a to 21c) and the rear bearing structure 29 are rotatable.
[0027]
On the other hand, when causing the linear / rotary actuator 1 to perform only linear motion, an exciting current is passed through the exciting winding 26 of the stator 22 of the linear motor A, and the energizing direction of the exciting current flowing through the exciting winding 26 is sequentially changed. Thus, thrust is generated that displaces the rectilinear shaft 23 in the axial direction (XX) between the permanent magnets 25a to 25h of the permanent magnet row 25 of the rectilinear shaft 23 and the stator side magnetic pole. As the rectilinear shaft 23 moves, the output shaft 15 moves linearly.
[0028]
When the linear movement and the rotation are performed simultaneously, the excitation winding 26 of the stator 22 of the linear motor A and the winding of the stator 13 of the rotation driving motor B are energized simultaneously. The output shaft 15 rotates independently, and the rectilinear shaft 23 also travels independently independently of the rotational speed of the output shaft 15. Therefore, in this example, one movement does not affect the other movement, and the straight movement and the rotation movement can be performed freely at the same time. In order to synchronize the linear motion and the rotational motion, a rotation detector (encoder) may be attached to the motor for rotational motion, and electrical synchronization may be achieved based on the output of the rotation detector.
[0029]
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing another embodiment of the rectilinear / rotary actuator of the present invention. Similarly to FIG. 1, it is divided vertically by a horizontal plane including the axis (XX), and the rear part is entirely shown. Is shown in cross section. 2 having the same functions as those of the member used in the example of FIG. 1 are denoted by reference numerals added to the reference numerals of FIG.
[0030]
The difference between the rectilinear / rotary actuator shown in FIG. 2 and the rectilinear / rotary actuator shown in FIG. 1 is that the position of the rod-shaped member 139 constituting the detent mechanism 137 and the guide member 141 holding the rod-shaped member 139 is different. Are arranged in reverse, and the rear spline portion 119 is arranged inside the linear shaft 123 of the linear motor A.
[0031]
In this example, in order to arrange the rear side bearing structure 129 on the front side, the fixing part 135 is arranged on the rear side of the linear shaft 123, and the rear end part is fixed to the fixing part main body 136. A cylindrical member 138 is disposed concentrically with the rectilinear shaft 123 and the output shaft 115 and extends forward between the rectilinear shaft 123 and the output shaft 115. Then, the rear bearing structure 129 is fixed to the front end portion of the tubular member 138. In this case, the anti-rotation mechanism 137 includes four elongated rod-shaped members 139 that are fixed to the fixing portion main body 136 and extend forward, and the linear shaft 123 is fitted to the rod-shaped member 139 and the axis of the output shaft 115. A guide member 141 that allows sliding in the (XX) direction but prevents the rectilinear shaft 123 from rotating about the output shaft 115 is configured.
[0032]
FIG. 3 is a diagram used for explaining the structure of the embodiment of FIG. As shown in FIG. 3, the rectilinear shaft 123 includes four projecting portions 123 a that are arranged at intervals of 90 ° in the circumferential direction and project outward in the radial direction. Guide members 141 generally called LM bushes are attached to these four protrusions 123a, and rod-like members 139 are slidably fitted to these guide members 141, respectively. The length of the cylindrical member 138 is determined such that the intermediate bearing structure (121a to 121d) and the rear side bearing structure 129 are arranged close to each other. When such a structure is employed, the distance between the intermediate bearing structure (121a to 121d) and the rear bearing structure 129 is reduced, and the rear bearing structure 129 is disposed inside the linear shaft 123. The length of the shaft 115 can be shortened, and the total length of the linear / rotary actuator 101 can be shortened (compact).
[0033]
According to the above two embodiments, the maximum speed of the straight movement can be set to 2 m / sec or more.
[0034]
FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing still another embodiment of the rectilinear / rotary actuator according to the present invention. Similarly to FIG. 1, it is divided vertically by a horizontal plane including the axis (XX), and the rear part is entirely shown. It is shown in cross section. In FIG. 4, the same parts as those used in the example of FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
[0035]
The difference between the linear / rotary actuator shown in FIG. 4 and the linear / rotary actuator shown in FIG. 1 is that a speed reduction mechanism 243 is arranged between the rotary shaft 211 and the nut 209 that are separated in the axial direction, and rotational driving is performed. The electromagnetic brake mechanism 257 is installed between the motor B and the speed reduction mechanism 243, and the spring mechanism 263 is disposed on the rear side of the linear / rotary actuator 201.
[0036]
The speed reduction mechanism 243 includes a central gear 245 formed by machining on the outer peripheral portion of the front end of the rotating shaft 211, and three planetary gears 247 that mesh with the central gear 245 and rotate around the central gear 245. A cylindrical outer fixed gear 249 that is fixed to the frame 203 with a gear meshing with the planetary gear 247 formed in the center of the inner peripheral surface, and three planetary gears disposed on the front side of the three planetary gears 247. An annular forward rotation body 251 in which the rotation shaft of the gear 247 is rotatably fixed, and an annular backward rotation that is fixed to the rear side of the three planetary gears 247 and rotates together with the three planetary gears 247. A body 253, a flanged cylinder 250 fixed to the front rotary body 251, and a closing plate 255 having a through hole through which the output shaft 215 passes and closing the front opening end of the cylinder 250. It is. The front-side rotator 251 and the rear-side rotator 253 are rotatably accommodated in a pair of openings formed on both sides in the axial direction of the outer fixed gear 249 via annular bearings 255 and 256.
[0037]
When the rotation drive motor B rotates and the rotation shaft 211 rotates, the planetary gear 247 rotates from the central gear 245 to rotate around the central gear 245, and the planetary gear 247 is rotatably fixed. 251 and the cylinder 250 fixed to the rotating body rotate at a rotational speed lower than the rotational speed of the rotating shaft 211. When the cylindrical body 250 rotates, the nut 209 fitted and fixed to the inner side of the cylinder 250 rotates at a reduced rotational speed. This rotation is transmitted from the nut 209 to the output shaft 215, and the output shaft 215 also rotates at a low rotational speed. .
[0038]
The electromagnetic brake mechanism 257 is disposed between the rotation drive motor B and the speed reduction mechanism 243. The electromagnetic brake mechanism 257 includes a hub 259 fixed to the rotating shaft 211, an excitation coil 261 fixed to the frame 3 side, and a pair of brake pads 263 that are driven by the excitation coil 261 and come into contact with the hub 259. It is configured. The hub 259 is fixed to a hub press-fit portion on the outer peripheral portion of the rotating shaft 211 via a key 258. The hub 259 has a disc portion 260 disposed concentrically with the rotating shaft 211, and this disc portion is disposed between the pair of brake pads 263 and 263. The electromagnetic brake mechanism 257 operates so as to relatively separate the two brake pads 263 while the exciting coil 261 is excited. When the exciting coil 261 is in a non-excited state, the two brake pads are relatively close to each other, and the disc portion 260 of the hub 259 is sandwiched between the two brake pads 263 and 263. As a result, when a power failure occurs or when the power switch is turned off, the brake is automatically applied.
[0039]
A spring mechanism 263 is fixed to the rear end face of the inner ring portion 231 of the rear bearing mechanism 229 of the rectilinear / rotary actuator 201. The spring mechanism 263 has a structure in which end plates 267 and 269 are fixed to both ends in the axial direction of the coil spring 265 that is always in a compressed state. One end plate 267 is fixed to the inner ring portion 231, and the other end plate 269 is fixed to the rear side end face of the output shaft 219. The rear-side bearing mechanism 229 includes an outer ring portion 233 fixed to the fixing portion 235 and an inner ring portion 231 disposed therein via a plurality of balls 232. A rear spline portion provided on the outer peripheral portion of the output shaft 219 is fitted inside the inner ring portion 231, allowing the output shaft 219 to move in the axial direction and rotating together with the output shaft 219. To do. When the output shaft 219 moves forward, the coil spring 265 of the spring mechanism 263 is further compressed. When the excitation of the linear motor A is released, the output shaft 219 is forcibly moved rearward by the spring force of the coil spring 265. Therefore, when a power failure occurs or the power switch is turned off, the output shaft 219 moves rearward regardless of the attitude of the actuator.
[0040]
Further, a proximity switch 271 that detects the position in the axial direction of the rear end portion of one rod-like member 239 that is fixed to the rectilinear shaft 223 and extends rearward is fixed to the cover member 240. If this proximity switch 271 is provided and the position of the rod-shaped member 239 is accurately detected, the positioning control of the linear motion of the output shaft 215 becomes high with the specific position of the rod-shaped member 239 detected by the proximity switch 271 as the origin position. .
[0041]
In this example, when the rectilinear / rotary actuator 1 is caused to perform only the rotational motion, the rotating shaft 211 is rotated by passing an exciting current through the winding of the stator 213 of the rotation drive motor B. When the rotating shaft 211 rotates, the central gear 245 provided on the rotating shaft 211 rotates, and the front rotating body 251 of the speed reduction mechanism 243 to which the planetary gear 247 rotating around the central gear 245 is fixed rotates. . Then, the nut 209 and the output shaft 215 that are connected to the front-side rotator 251 by the cylinder 250 rotate and perform a rotational motion. When the energization of the rotational drive motor B that is energized and operated from the outside of the rectilinear / rotary actuator 201 is stopped, the exciting coil 261 of the electromagnetic brake mechanism 257 is in a non-excited state and can be braked.
[0042]
According to this example, since the speed reduction mechanism 243 is disposed between the rotation shaft 211 and the nut 209, the rotation of the rotation shaft can be reduced to a predetermined number of rotations, and a high torque rotational motion is possible. Further, since the electromagnetic brake mechanism 257 is disposed between the rotation drive motor B and the speed reduction mechanism 243, the rotation shaft can be appropriately braked, and the rotation motion can be easily controlled.
[0043]
【The invention's effect】
According to the linear / rotary actuator of the present invention, the rotary motion and the linear motion can be performed separately or both at the same time. Therefore, there is an advantage that it can be applied to various applications including a winding machine. is there.
[0044]
Further, according to the present invention, the linear movement can be performed at a high speed, and therefore the movement of the entire linear / rotary actuator can be performed at a high speed.
[0045]
Furthermore, according to the present invention, it is possible to reduce the size of the linear / rotary actuator in the axial direction and to reduce the occurrence of vibration during driving.
[0046]
Further, according to the linear / rotary actuator of the present invention, the speed of the rotational motion can be freely controlled, so that there is an advantage that it can be applied to various applications.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing an embodiment of a linear / rotary actuator according to the present invention, in which an output shaft and a linear axis are vertically divided by a horizontal plane including an axis (XX), and a rear portion is entirely It is shown in cross section.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing another embodiment of the rectilinear / rotary actuator of the present invention, in which the output shaft and rectilinear axis are divided vertically in a horizontal plane including the axis (XX), and the rear part is entirely It is shown in cross section.
3 is a diagram used for explaining the structure of the embodiment of FIG. 2; FIG.
FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing another embodiment of the rectilinear / rotary actuator of the present invention, in which the output shaft and the rectilinear axis are divided vertically by a horizontal plane including the axis (XX), and the rear part is entirely It is shown in cross section.
[Explanation of symbols]
1,101,201 Linear / rotary actuator
7, 107, 207 Front bearing structure
9, 109, 209 nut
11, 111, 211 Rotating shaft
15, 115, 215 Output shaft
17, 117, 217 Front spline part
19, 119, 219 Rear spline
21, 121, 221 Intermediate bearing structure
23, 123, 223 Straight axis
29, 129, 229 Rear bearing structure
31, 131, 231 Inner ring
33, 133, 233 Outer ring
35, 135, 235 fixed part
36, 136, 236 fixed body
37, 137, 237 Detent mechanism
38, 138, 238 Tubular member
39, 139, 239 Bar-shaped member
41, 141, 241 guide members
243 Deceleration mechanism
245 Central gear
247 Planetary gear
249 Outer fixed gear
257 Electromagnetic brake mechanism
261 Excitation coil
A Linear motor
B Rotation drive motor

Claims

A linear motor having a hollow linear shaft as a mover;
A front spline portion and a rear spline portion having a predetermined length are formed in the front portion and the rear portion, respectively, and an intermediate portion where the front spline portion and the rear spline portion are not formed passes through the intermediate shaft structure through the intermediate shaft structure. And an output shaft that penetrates in a rotatable state,
A nut that fits into the front spline portion of the output shaft;
A rotation driving motor that rotates the output shaft by rotating the nut directly or via a transmission mechanism;
A rectilinear / rotary actuator comprising a rear side bearing structure that supports the rear spline part so as to allow the rear spline part fixed to the fixed part to slide in the axial direction and to allow the output shaft to rotate. .

A linear motor having a stator fixed to the frame and a hollow linear axis as a mover;
A front spline portion and a rear spline portion having a predetermined length are formed in the front portion and the rear portion, respectively, and an intermediate portion where the front spline portion and the rear spline portion are not formed passes through the intermediate shaft structure through the intermediate shaft structure. And an output shaft that penetrates in a rotatable state,
A nut that is fitted to the front spline portion of the output shaft and allows the front spline portion to slide in the axial direction;
A rotary drive motor having a hollow structure and having a rotor fixed to a rotary shaft having the nut fixed therein and a stator fixed to the frame;
A front-side bearing structure that rotatably supports the rotating shaft with respect to the frame;
A rear bearing structure having an outer ring fixed to a fixed part fixed to the frame and an inner ring fitted to the rear spline part so as to allow the rear spline part to slide in the axial direction. A linear / rotary actuator.

The anti-rotation mechanism for preventing the rectilinear shaft of the linear motor from rotating about the output shaft is configured between the rectilinear shaft and the fixed portion. The linear / rotary actuator described in 2.

The rear side bearing structure is fixed to the fixed portion disposed on the rear side of the rectilinear axis,
The anti-rotation mechanism includes an elongated rod-like member fixed to the rectilinear shaft and extending rearward, and is provided on the fixing portion and engages with the rod-like member and allows sliding in the axial direction, but the output shaft The linear / rotary actuator according to claim 3, further comprising a guide member that prevents the rod-shaped member from rotating about the axis.

The fixed portion includes a fixed portion main body disposed on the rear side of the rectilinear shaft, a rear end portion fixed to the fixed portion main body, and disposed concentrically with the linear shaft and the output shaft. It consists of a cylindrical member that extends forward between the output shaft,
The rear bearing structure is fixed to the front end of the cylindrical member,
The anti-rotation mechanism is fixed to a fixed portion main body and extends to the front side, and an elongated rod-like member, is provided on the rectilinear shaft, is fitted to the rod-like member, and is allowed to slide in the axial direction of the rectilinear shaft. However, the linear / rotary actuator according to claim 3, further comprising a guide member that prevents the linear shaft from rotating about the output shaft.

6. The linear / rotary actuator according to claim 5, wherein a length of the cylindrical member is determined so that the intermediate bearing structure and the rear bearing structure are arranged close to each other.

6. The rectilinear / rotary actuator according to claim 4, wherein the plurality of detent mechanisms are arranged at equal intervals in the rotation direction of the output shaft.

The linear / rotary actuator according to claim 4, further comprising a position sensor that detects a position of a rear end portion of the rod-shaped member.

The rectilinear / rotary actuator according to claim 2, further comprising a spring mechanism that constantly applies a force to the output shaft to move the output shaft to the rear side.

A linear motor having a stator fixed to the frame and a hollow linear axis as a mover;
A front spline portion and a rear spline portion having a predetermined length are formed in the front portion and the rear portion, respectively, and an intermediate portion where the front spline portion and the rear spline portion are not formed passes through the intermediate shaft structure through the intermediate shaft structure. And an output shaft that penetrates in a rotatable state,
A nut that is fitted to the front spline portion of the output shaft and allows the front spline portion to slide in the axial direction;
A rotation drive motor having a hollow structure and having a rotor fixed to a rotation shaft through which the output shaft passes and a stator fixed to the frame;
A speed reduction mechanism disposed between the rotary shaft and the nut to reduce the rotation of the rotary shaft and transmit it to the nut;
A front-side bearing structure that rotatably supports the rotating shaft with respect to the frame;
A rear bearing structure having an outer ring fixed to a fixed part fixed to the frame and an inner ring fitted to the rear spline part so as to allow the rear spline part to slide in the axial direction. A linear / rotary actuator.

The speed reduction mechanism is composed of a planetary gear mechanism in which a central gear is provided on the rotation shaft, and a rotating body to which a planetary gear rotating around the central gear is fixed is coupled to the nut;
The linear / rotary actuator according to claim 10, wherein the rotating body is rotatably supported by the frame via a bearing structure.

An electromagnetic brake mechanism that is in a non-brake state when the excitation coil is excited and is in a brake state when the excitation coil is not excited is disposed between the rotation drive motor and the speed reduction mechanism,
The linear / rotary actuator according to claim 11, wherein when the energization of the rotation driving motor is stopped, the excitation coil is in a non-excitation state.