JP4187433B2 - Linear actuator - Google Patents
Linear actuator Download PDFInfo
- Publication number
- JP4187433B2 JP4187433B2 JP2001333763A JP2001333763A JP4187433B2 JP 4187433 B2 JP4187433 B2 JP 4187433B2 JP 2001333763 A JP2001333763 A JP 2001333763A JP 2001333763 A JP2001333763 A JP 2001333763A JP 4187433 B2 JP4187433 B2 JP 4187433B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- linear
- groove
- linear actuator
- displacement
- coil
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Transmission Devices (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転・直進運動変換機構を含むリニアアクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】
回転運動を直進運動に変換、伝達する回転・直進運動変換機構およびリニアアクチュエータについて、ロボットの腕、指等の運動、遺伝子操作に用いられるマニピュレータ等、小型軽量でトルクが大きく高精度の送りができる高性能マイクロアクチュエータの要求が高い。従来、回転・直進運動変換機構として、例えばマイクロメータにおいて、ねじとナットを用い、キーとキー溝を筐体とナットの間に設け、ナットの回転を拘束し、ねじの回転運動をナットに結合した出力軸の直進運動に変換するものが知られている。この場合、バックラッシュやキーとキー溝間の摩擦損失等が問題であった。そこで、特開2000−161461号公報は、ボールねじに回転運動を与え、ボールねじに複数のボールを介して螺合するボールナットの外周とケーシングとの間にすべり軸受けを設け、ボールナットの回転を拘束して、直進運動に変換する技術を開示する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ボールねじとボールナット、すべり軸受けを用いる従来技術により、リニアアクチュエータのバックラッシュの問題は少なくなる。しかし、従来技術では、摩擦損失の問題が依然として残されている。また、高精度の送りには、高分解能の駆動法、高精度の変位センサが必要であるが、通常用いられる減速機構、レーザ計測等は、アクチュエータが大型となりあるいは外置き装置を要し、小型軽量化が困難である。
【0004】
本発明は、かかる従来技術の課題を解決し、バックラッシュ、摩擦損失を減らし、小型軽量でトルクが大きく高精度の送りができる高性能の回転・直進運動変換機構を含むリニアアクチュエータを提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係るリニアアクチュエータは、筐体に取付けられたモータと、モータ出力軸の回転運動を直進運動に変換し伝達する回転・直進運動変換機構と、直進軸方向の変位量を検出する変位センサと、を含むリニアアクチュエータにおいて、前記回転・直進運動変換機構は、回転運動を、直進運動に変換し伝達する回転・直進運動変換機構であって、前記直進運動の直進出力軸の直進軸方向に設けられた第一の溝を内部に備える筐体と、外周に、前記直進軸方向に設けられた第二の溝を備え、前記第一の溝と第二の溝との間で転がり支持される複数の第一のボールを介し、筐体に対し直進運動をするボールナット手段と、筐体に回転自在に軸支され、前記ボールナット手段との間で、複数の第二のボールを介して螺合し、回転運動をするボールねじ軸と、を含み、前記変位センサは、所定の位置関係に配置された励磁コイルおよび検出コイルと、検出コイルの出力端に入力端が接続された増幅器と、増幅器の出力端と励磁コイルの入力端との間に設けられ、励磁コイルへの入力波形と検出コイルからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させて前記位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、前記位相シフトにより生じた周波数偏差を検出する周波数計測手段と、前記直進出力軸に設けられた、励磁コイルまたは検出コイルの少なくとも一つの空心部に挿入され、長手軸方向に断面積が変化する磁性体の棒状プローブと、を備え、励磁コイルと検出コイルとの間の空間を含む閉ループの共振状態を維持しつつ、前記棒状プローブが長手軸方向に変位することで生ずる前記周波数偏差から、前記直進出力軸の変位量を検出することを特徴とする。
【0007】
また、本発明に係るリニアアクチュエータにおいて、前記モータは超音波モータであることが好ましい。また、本発明に係るリニアアクチュエータにおいて、前記第一の溝および第二の溝は、油中放電加工により設けられたことが好ましい。
【0011】
本発明に係る回転・直進運動変換機構およびリニアアクチュエータは、ボールねじとボールナット手段を用い、さらに筐体の内側とボールナット手段の外周に直進軸方向溝を設け、これら直進軸方向溝は第一のボールを転がり支持する。すなわち、ボールねじとボールナット手段を用いることで運動伝達の際のバックラッシュの問題を軽減し、さらに筐体と第一ボールによりボールナット手段の回転を拘束し、第一のボールの転がり運動を介し、ボールナット手段は筐体に対し直進運動をするので、回転の拘束に伴う摩擦損失の問題が軽減される。
【0012】
また、これらの直進軸方向溝は、油中放電加工、例えば油中ワイヤ放電加工により設けられるので、研削加工等と異なり、小型の溝加工ができ、かつ、アブレシブ摩耗痕に比し、滑らかな表面粗さとなり、より摩擦損失が軽減され、小型軽量、高精度が実現できる。
【0013】
また、リニアアクチュエータの回転駆動源に超音波モータを用いるので、高分解能の回転駆動ができる。さらに、直進出力軸の変位を検出する変位センサを内蔵するので、高精度の送りを実現でき、特に、超音波モータと組合せるときは、超音波モータが有する高分解能の回転駆動の性能を十分に発揮でき小型軽量、高精度が実現できる。
【0014】
また、発光素子、受光素子を用い、アクチュエータの直進出力軸に設けられた変位検出部に光を入射し、その反射波を検出し、受光素子、増幅器、位相シフト回路、発光素子の順に接続する構成とする。この構成で、前記変位検出部が変位すると、発光素子と受光素子との間の空間を含む閉ループの共振状態を維持しつつ、変位量に応じ周波数偏差を生じるので、直進出力軸の変位量を検出することができる。1mmの変位量で10kHz以上の周波数偏差を生ずるので、ナノメートルオーダーの分解能で変位量が検出でき、小型軽量、高精度が実現できる。
【0015】
さらに、変位センサとして、検出コイル、増幅器、位相シフト回路、励磁コイルの順に接続し、検出コイルまたは励磁コイルの少なくとも一つの空心部に、長手軸方向に断面積が変化する磁性体の棒状プローブを挿入して配置される構成とする。棒状プローブは、アクチュエータの直進出力軸に設けられる。この構成で、前記棒状プローブが長手軸方向に変位すると、励磁コイルと検出コイルとの間の空間を含む閉ループの共振状態を維持しつつ、変位量に応じ周波数偏差を生じるので、直進出力軸の変位量を検出することができる。1mmの変位量で数kHzの周波数偏差を生ずるので、0.1〜0.01マイクロメートルの分解能で変位量が検出でき、小型軽量、高精度が実現できる。
【0016】
また、励磁コイルは、互いに極性が逆向きに巻かれた二つのコイルが直列に接続されたものであるとする。この場合、この二つのコイルの接続点付近では磁界が打ち消しあい、二つのコイルが同じ特性のときは、ほぼゼロの磁界となってバランスしている。この空心部に磁性体のプローブを挿入して配置する構成とすることで、変位に対する感度が高まり、1mmの変位量で10kHz以上の周波数偏差を生ずるので、マイクロメートルレベルの分解能で変位量が検出でき小型軽量、高精度が実現できる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は、リニアアクチュエータ1の直進軸方向の断面図、図2は、図1のA−Aに沿った径方向断面図である。円筒状の筐体3は、ボールナット5と一体で運動するサポート部材6の外周を直進自在に支持し、ボールナット5の内周に螺合するボールねじ7の他端に結合される回転軸9を回転自在に支持する。また、筐体3は、超音波モータ11を固定し、超音波モータ11のモータ出力軸13は、回転軸9と結合され、ボールナット5と一体で運動するサポート部材6は、直進出力軸15と結合される。超音波モータ11は、図示されていない駆動制御装置に接続される。超音波モータ以外の小型モータを用いることもできる。筐体3の外形は円筒状以外の直方体、楕円断面形状等でも良い。
【0018】
ボールナット5は、サポート部材6の変形D形状の内窓にはめ合わされて、回転が拘束され、また、その長手方向も、ストッパ等の適当な固定手段により、サポート部材6と固定される。したがって、サポート部材6とボールナット5とは、一体として運動する。
【0019】
筐体3の内部に、リニアアクチュエータ1の長手方向、すなわち、直進出力軸15の直進軸方向に、第一の溝21が設けられ、第一の溝21に対応して、ボールナット5と一体で運動するサポート部材6の外周に、やはり直進軸方向に第二の溝23が設けられる。第一の溝21と第二の溝23は、第一のボール25を転がり自在に支持する。ボールナット5の内周にらせん溝27が設けられ、これに対応したらせん溝29がボールねじ7の外周に設けられる。らせん溝27とらせん溝29により第二のボール31が転がり自在に支持される。回転軸9と筐体3との間にボールベアリング33が設けられる。
【0020】
かかる構成の作用を説明する。図示されていない駆動制御装置により、超音波モータ11が駆動されると、モータ出力軸13が回転し、回転軸9、ボールねじ7が回転する。ボールねじ7の回転運動エネルギは、第二のボール31の転がり摩擦を介してボールナット5に伝達される。ボールナット5と一体で運動するサポート部材6は、筐体3との間で回転が拘束されるので、ボールナット5に伝達された運動エネルギは、第一のボール25の転がり摩擦により、サポート部材6の直進運動エネルギに変換され、サポート部材6は、筐体に設けられた第一の溝21に沿い、直進運動し、直進出力軸15がそれに従い直進的に変位する。
【0021】
このように、運動エネルギの変換は、正確に転がり支持された第二のボール31、第一のボール25の転がり摩擦により行われるので、運動伝達の際のバックラッシュの問題を軽減し、また回転の拘束におけるエネルギの損失が、すべり摩擦に比し大幅に改善される。
【0022】
図1、図2において、サポート部材6と、ボールナット5は別部材として説明したが、この二つの部材をあわせて考えるときは、外周に第二の溝23を備え、内周にボールナットのらせん溝27を有する、いわばボールナット手段である。そこで、これら二つの部材を一体構造とし、ボールナットの外周に直接第二の溝23を設けることもできる。この場合、構造がより簡単になる。
【0023】
図3は、図2のBの部分、すなわち、第一のボール25が、筐体3に設けられた第一の溝21と、サポート部材6に設けられた第二の溝23とに転がり支持される部分の拡大断面図である。第一の溝21、第二の溝23の形状は、転がり支持に適したものとして公知の、いわゆるゴシック溝と呼ばれる設計がなされる。ゴシック溝の設計においては、第一の溝21は、Oaを中心とする円の一部である円弧部分aと、Obを中心とする円の一部である円弧部分bを有し、Oa,Obは、第一のボール25の中心Oから所定の距離だけオフセットした位置に設けられる。このとき、第一のボール25の中心をOとすると、第一のボール25が円弧部分a,bとそれぞれ一点Pa,Pbで点接触し、Pa−O−Pbのなす角度が直角になるように、所定のオフセット量が選ばれる。第二の溝23についても同様にゴシック溝の設計が行われる。
【0024】
図1、図2において、筐体3の外径を10mmとするとき、第一のボール25の直径は0.8mmに選ばれる。このときのゴシック溝設計の一例を示すと、所定のオフセット量の位置精度がプラスマイナス5マイクロメートル以下、溝内面の表面粗さが0.8マイクロメートル以内が要求される。また、筐体3の外径を20mmとするとき、第一のボール25の直径は約2mm以下に選ばれるが、ゴシック溝の所定のオフセット量の位置精度がプラスマイナス5マイクロメートル以下、溝内面の表面粗さが0.8マイクロメートル以内が望ましい。
【0025】
第一の溝、第二の溝の形状のかかる高精度を確保するため、本発明は、研削加工によらず、ワイヤ放電加工、特に油中において放電加工の電流値を適切に制御して、所定のゴシック溝を設けることを特徴とする。
【0026】
図4(a),(b)は、研削加工と油中放電加工の表面粗さの違いを説明する図である。図4(a)に示すように、研削加工による表面は、砥粒によるアブレシブ摩耗の形態を呈し、鋭い引っかき状の摩耗痕の生成が確認でき、その摩耗痕の大きさは、砥石の粒度、結合度等の各種条件に左右され、曲率半径が約1mm以下の溝内面を表面粗さ0.8マイクロメートル以内に抑えて加工することは困難である。これに対し油中放電加工による表面は、図4(b)に示すように、高電圧を印加したワイヤ電極線による溶解除去による形態を呈し、滑らかなクレータ状の低電流パルス放電痕の生成が確認でき、その放電痕の大きさは電流値により制御可能で、曲率半径が約1mm以下の溝内面を表面粗さ0.8マイクロメートル以内に抑えて加工することができる。
【0027】
したがって、油中放電加工により、表面粗さの小さい滑らかな内面を有する、寸法の小さな第一の溝、第二の溝を、高精度の寸法精度で設けることができ、より摩擦損失を軽減でき、小型軽量高精度のリニアアクチュエータを実現できる。
【0028】
図5は、リニアアクチュエータに光方式変位センサ41を設けた場合のブロック図である。リニアアクチュエータの直進出力軸15に近接して、筐体3の内部に発光素子43と受光素子45が設けられ、発光素子43から入射した光を受け、反射して受光素子45に戻す変位検出部47が直進出力軸15に設けられる。受光素子45からの出力端子と、発光素子43への入力端子は、信号処理部51と接続される。信号処理部51は、受光素子45からの出力端子が増幅器53に接続され、増幅器53と発光素子43の入力端子との間に位相シフト回路55が設けられる。位相シフト回路55に、周波数偏差検出器57が接続され、さらに、周波数偏差検出器57に変位量算出器59が接続される。
【0029】
このように、発光素子43と受光素子45との間の空間、すなわち発光素子43−変位検出部47―受光素子45の光の経路を含めて、ひとつの閉ループ共振回路を形成し、図示されていない電源からエネルギが供給され、位相シフト回路55の周波数―ゲイン・位相特性を適切に設定することで、共振を持続することができる。このような閉ループ共振回路における位相シフト回路55の内部構成とその作用については、特開平9−145691号公報に詳しく述べられている。
【0030】
図5において、直進出力軸が変位し、発光素子43と受光素子45との間の空間、すなわち発光素子43−変位検出部47―受光素子45の光の経路の長さに変化が起こると、それに伴い、発光素子43への入力信号と受光素子45からの出力信号との間に位相差が生じ、位相シフト回路55がその位相差をゼロにするように周波数を変化させる。このときの周波数偏差は、周波数偏差検出器57で検出され、周波数偏差と変位量の関係式処理を行う変位量算出器59により、変位量が出力される。数mmの変位量で10kHz以上の周波数偏差を生ずるので、ナノメートルオーダーの分解能で変位量が検出できる。信号処理部51はリニアアクチュエータ1と一体集積化してもよく、外置き型の別体で構成しても良い。
【0031】
図6は、リニアアクチュエータにインダクタンス方式変位センサ71を設けた場合のブロック図である。リニアアクチュエータの直進出力軸15に近接して、筐体3の内部に励磁コイル73が設けられ、励磁コイル73の外周に同心状に検出コイル75が配置される。また、直進出力軸15の一部が、長手方向に断面積が変化する円錐状プローブ部分77を備え、このプローブ部分77は、磁性体で構成される。そして、プローブ部分77は、励磁コイル73・検出コイル75の空心部に挿入される状態で配置される。検出コイル75からの出力端子と、励磁コイル73への入力端子は、信号処理部51と接続される。信号処理部51の構成と作用は、図4と同様であるので説明を省略する。
【0032】
このように、励磁コイル73と検出コイル75との間の空間、すなわち励磁コイル73−プローブ部分77を含む空心部―検出コイル75の磁気回路を含めて、ひとつの閉ループ共振回路を形成する。
【0033】
図6において、直進出力軸15が変位し、磁性体のプローブ部分77が、励磁コイル73・検出コイル75の空心部を移動すると、磁性体のプローブ部分77は円錐状なので、空心部内の磁性体の体積が変化する。これにより、励磁コイル73・検出コイル75のインダクタンスが変化し、励磁コイル73と検出コイル75との間の空間、すなわち励磁コイル73−プローブ部分77を含む空心部―検出コイル75の磁気回路に変化が起こる。それに伴い、励磁コイル73への入力信号と検出コイル75からの出力信号との間に位相差が生じ、位相シフト回路55がその位相差をゼロにするように周波数を変化させる。このときの周波数偏差は、周波数偏差検出器57で検出され、周波数偏差と変位量の関係式処理を行う変位量算出器59により、変位量が出力される。1mmの変位量で数kHz以上の周波数偏差を生ずるので、0.1〜0.01マイクロメートルの分解能で変位量が検出できる。
【0034】
図7は、より感度の高いインダクタンス方式変位センサについて、その検出部分72を示す。図6と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。この場合、励磁コイル74に、互いに極性が逆向きに巻かれた二つのコイル74a,74bを直列に接続したものを用いる。この構成では、この二つのコイル74a,74bの接続点付近で磁界が打ち消しあい、二つのコイル74a,74bが同じ特性のときは、ほぼゼロの磁界となってバランスしている。この空心部に磁性体のプローブ部分77を挿入して配置する構成とすることで、磁性体のプローブ部分77の挿入によるバランスの変化を検出コイル75で検出でき、変位に対する感度が一段と高まる。
【0035】
1mmの変位量で10kHz以上の周波数偏差を生ずるので、簡単な構造で、運動対象物の変位量をマイクロメートルレベルの分解能で変位量が検出できる。
【0036】
励磁コイルと検出コイルとの位置関係は、図6、図7に示す励磁コイルの外周に検出コイルを配置する他、励磁コイルと検出コイルを直進軸上に並べて配置する等、一定の位置関係が固定される配置方法でも良い。プローブ部分は、励磁コイルと検出コイルの少なくとも一方の空心部内に挿入して配置されることでも良い。プローブ部分は円錐状のほか、円錐の一部、長手軸を回転軸とする関数回転体、角錐の一部等、断面積が変化する他の形状を用いることができる。
【0037】
このように、リニアアクチュエータの内部に、発光素子・受光素子・変位検出部を設け、または励磁コイル・検出コイル・プローブ部分を設ける簡単な構成で、0.1〜0.01マイクロメートル、ナノメートルオーダーの変位量の検出が容易にできる。
【0038】
【発明の効果】
本発明に係る回転・直進運動変換機構を含むリニアアクチュエータは、バックラッシュ、摩擦損失を減らし、小型軽量でトルクが大きく高精度の送りができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態に係るリニアアクチュエータの直進軸方向の断面図である。
【図2】 本発明の実施の形態に係るリニアアクチュエータの径方向断面図である。
【図3】 本発明の実施の形態の、第一のボールが、第一の溝と第二の溝23とに転がり支持される部分の拡大断面図である。
【図4】 研削加工と油中放電加工の表面粗さの違いを説明する図で(a)は従来技術の研削加工の場合、(b)は、本発明の実施の形態に係る油中放電加工の場合である。
【図5】 本発明の実施の形態に係るリニアアクチュエータに、参考例として光方式変位センサを設けた場合のブロック図である。
【図6】 本発明の実施の形態に係るリニアアクチュエータに、インダクタンス方式変位センサを設けた場合のブロック図である。
【図7】 本発明の実施の形態に係るリニアアクチュエータに、より感度の高いインダクタンス方式変位センサを設けた場合の、検出部分の図である。
【符号の説明】
1 リニアアクチュエータ、3 筐体、5 ボールナット、6 サポート部材、7 ボールねじ、9 回転軸、11 超音波モータ、13 モータ出力軸、15 直進出力軸、21 第一の溝、23 第二の溝、25 第一のボール、27,29 らせん溝、31 第二のボール、33 ボールベアリング、41 光方式変位センサ、43 発光素子、45 受光素子、47 変位検出部、51 信号処理部、53 増幅器、55 位相シフト回路、57 周波数偏差検出器、59 変位量算出器、71 インダクタンス方式変位センサ、72 検出部分、73 励磁コイル、74,75 検出コイル、77 プローブ部分。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a linear actuator including a rotation / linear motion conversion mechanism.
[0002]
[Prior art]
Rotation / straight motion conversion mechanism and linear actuator that converts and transmits rotational motion to straight motion, such as robot arm and finger motion, manipulators used for gene manipulation, etc. The demand for high performance microactuators is high. Conventionally, as a rotation / straight motion conversion mechanism, for example, in a micrometer, a screw and a nut are used, a key and a key groove are provided between the housing and the nut, the rotation of the nut is restricted, and the rotational motion of the screw is coupled to the nut. Those that convert the output shaft into linear motion are known. In this case, backlash, friction loss between the key and the key groove, and the like were problems. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-161461 provides rotational motion to a ball screw, and a sliding bearing is provided between the outer periphery of the ball nut that is screwed to the ball screw via a plurality of balls, and the rotation of the ball nut. A technique for converting to a straight-ahead motion by restraining the movement is disclosed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The prior art using ball screws, ball nuts, and sliding bearings reduces the problem of linear actuator backlash. However, the problem of friction loss still remains in the prior art. In addition, high-precision feeding requires a high-resolution drive method and a high-accuracy displacement sensor, but the normally used deceleration mechanism, laser measurement, etc. require a large actuator or an external device, and are small. It is difficult to reduce the weight.
[0004]
The present invention solves the problems of the prior art, and provides a linear actuator including a high-performance rotation / linear motion conversion mechanism that can reduce backlash and friction loss, and is small, light, large in torque, and capable of high-precision feed. It is.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a linear actuator according to the present invention includes a motor attached to a housing, a rotation / linear motion conversion mechanism that converts the rotational motion of the motor output shaft into a linear motion, and transmits the linear motion. a displacement sensor for detecting the amount of displacement, the linear actuator including the rotary-linear motion conversion mechanism, the rotational movement, a rotational-linear motion conversion mechanism for converting transmitted into linear motion, rectilinear of the linear motion A housing having a first groove provided in the linear axis direction of the output shaft inside, and a second groove provided in the linear axis direction on the outer periphery, the first groove and the second groove A ball nut means that moves linearly with respect to the housing via a plurality of first balls that are supported in a rolling manner, and a plurality of the ball nut means that are rotatably supported by the housing. Screw through the second ball of And includes a ball screw shaft for rotational motion, the displacement sensor includes an excitation coil and a detection coil disposed in a predetermined positional relationship, an amplifier whose input terminal to the output terminal of the detection coil are connected, an amplifier provided between the output end and the input end of the exciting coil, when the phase difference occurs in the output waveform from the input waveform and the detection coil to the excitation coil, shifted to zero the phase difference by changing the frequency A phase shift circuit, frequency measuring means for detecting a frequency deviation caused by the phase shift, and inserted in at least one air core of the excitation coil or the detection coil provided on the linear output shaft, are cut in the longitudinal axis direction. includes a rod-shaped probe of a magnetic material which area is changed, and while maintaining the resonant state of the closed loop including the space between the exciting coil and the detection coil, the rod-shaped probe longitudinal axis direction From the frequency deviation caused by displacement, and detects the displacement amount of the linear output shaft.
[0007]
In the linear actuator according to the present invention, the motor is preferably an ultrasonic motor. Moreover, the linear actuator which concerns on this invention WHEREIN: It is preferable that said 1st groove | channel and 2nd groove | channel were provided by the in-oil electric discharge machining.
[0011]
The rotation / linear motion conversion mechanism and the linear actuator according to the present invention use a ball screw and ball nut means, and further provide linear axial grooves on the inner side of the casing and the outer periphery of the ball nut means. Roll and support one ball. That is, by using the ball screw and the ball nut means, the problem of backlash at the time of motion transmission is reduced, and further, the rotation of the ball nut means is restrained by the housing and the first ball, and the rolling motion of the first ball is performed. Since the ball nut means moves linearly with respect to the housing, the problem of friction loss associated with rotation restraint is reduced.
[0012]
In addition, since these linearly extending axial grooves are provided by electric discharge machining in oil, for example, wire electric discharge machining in oil, small grinding can be performed unlike grinding and the like, and smoother than abrasive wear marks. The surface roughness is reduced, friction loss is further reduced, and compact, lightweight, and high accuracy can be realized.
[0013]
In addition, since an ultrasonic motor is used as the rotation drive source of the linear actuator, high-resolution rotation drive can be performed. Furthermore, since a displacement sensor that detects the displacement of the straight output shaft is built in, high-accuracy feeding can be realized. Especially when combined with an ultrasonic motor, the high-resolution rotation drive performance of the ultrasonic motor is sufficient. Small size, light weight and high accuracy can be realized.
[0014]
In addition, using a light-emitting element and a light-receiving element, light is incident on a displacement detector provided on the linear output shaft of the actuator, the reflected wave is detected, and the light-receiving element, amplifier, phase shift circuit, and light-emitting element are connected in this order. The configuration. In this configuration, when the displacement detector is displaced, a frequency deviation is generated according to the displacement amount while maintaining a closed loop resonance state including a space between the light emitting element and the light receiving element. Can be detected. Since a frequency deviation of 10 kHz or more is produced with a displacement amount of 1 mm, the displacement amount can be detected with a resolution of nanometer order, and a small size, light weight and high accuracy can be realized.
[0015]
Further, as a displacement sensor, a detection rod, an amplifier, a phase shift circuit, and an excitation coil are connected in this order, and a magnetic rod-shaped probe whose cross-sectional area changes in the longitudinal axis direction is provided in at least one air core of the detection coil or excitation coil. The configuration is to be inserted. The rod-like probe is provided on the straight output shaft of the actuator. With this configuration, when the rod-shaped probe is displaced in the longitudinal axis direction, a frequency deviation is generated according to the amount of displacement while maintaining a closed loop resonance state including a space between the excitation coil and the detection coil. The amount of displacement can be detected. Since a frequency deviation of several kHz occurs with a displacement of 1 mm, the displacement can be detected with a resolution of 0.1 to 0.01 micrometers , and a small size, light weight and high accuracy can be realized.
[0016]
The exciting coil is assumed to be a series of two coils wound in opposite directions. In this case, the magnetic field cancels out near the connection point of the two coils, and when the two coils have the same characteristics, the magnetic field is almost zero and balanced. By adopting a configuration in which a magnetic probe is inserted and arranged in the air core, the sensitivity to the displacement is increased, and a frequency deviation of 10 kHz or more is generated with a displacement amount of 1 mm, so that the displacement amount can be detected with a resolution of micrometer level. Small size, light weight and high accuracy can be realized.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of the
[0018]
The
[0019]
A
[0020]
The operation of this configuration will be described. When the ultrasonic motor 11 is driven by a drive control device (not shown), the
[0021]
As described above, the conversion of kinetic energy is performed by the rolling friction of the
[0022]
1 and 2, the
[0023]
FIG. 3 shows the portion B of FIG. 2, that is, the
[0024]
1 and 2, when the outer diameter of the
[0025]
In order to ensure the high accuracy of the shape of the first groove and the second groove, the present invention appropriately controls the electric current value of the electric discharge machining in the wire electric discharge machining, particularly in oil, regardless of the grinding process. A predetermined gothic groove is provided.
[0026]
4 (a) and 4 (b) are diagrams for explaining the difference in surface roughness between grinding and in-oil electrical discharge machining. As shown in FIG. 4 (a), the surface obtained by grinding is in the form of abrasive wear due to abrasive grains, and the formation of sharp scratch-like wear marks can be confirmed. Depending on various conditions such as the degree of bonding, it is difficult to process the inner surface of the groove having a radius of curvature of about 1 mm or less with a surface roughness within 0.8 micrometers . On the other hand, as shown in FIG. 4 (b), the surface by electric discharge machining in oil takes the form of dissolution removal by the wire electrode line to which a high voltage is applied, and the generation of smooth crater-like low current pulse discharge traces is generated. It can be confirmed that the size of the discharge trace can be controlled by the current value, and the inner surface of the groove having a radius of curvature of about 1 mm or less can be processed with a surface roughness within 0.8 μm .
[0027]
Therefore, by EDM in oil, it is possible to provide the first and second grooves with small dimensions and having a smooth inner surface with a small surface roughness with high dimensional accuracy, and further reduce friction loss. A small, lightweight and highly accurate linear actuator can be realized.
[0028]
FIG. 5 is a block diagram when the optical displacement sensor 41 is provided in the linear actuator. Near the
[0029]
In this manner, a closed loop resonance circuit is formed including the space between the light emitting element 43 and the light receiving element 45, that is, the light path of the light emitting element 43-displacement detecting unit 47-light receiving element 45, and is illustrated. Resonance can be maintained by supplying energy from a non-power source and appropriately setting the frequency-gain / phase characteristics of the phase shift circuit 55. The internal configuration and operation of the phase shift circuit 55 in such a closed-loop resonance circuit is described in detail in Japanese Patent Laid-Open No. 9-146991.
[0030]
In FIG. 5, when the linear output shaft is displaced and a change occurs in the space between the light emitting element 43 and the light receiving element 45, that is, the length of the light path of the light emitting element 43 -displacement detecting unit 47 -light receiving element 45. Accordingly, a phase difference is generated between the input signal to the light emitting element 43 and the output signal from the light receiving element 45, and the phase shift circuit 55 changes the frequency so that the phase difference becomes zero. The frequency deviation at this time is detected by a frequency deviation detector 57, and the displacement amount is output by a
[0031]
FIG. 6 is a block diagram when the inductance
[0032]
Thus, a closed loop resonance circuit is formed including the space between the excitation coil 73 and the
[0033]
In FIG. 6, when the
[0034]
FIG. 7 shows a detection portion 72 of a more sensitive inductance type displacement sensor. Components that are the same as those in FIG. 6 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted. In this case, an
[0035]
Since a frequency deviation of 10 kHz or more is generated with a displacement amount of 1 mm, the displacement amount of the moving object can be detected with a resolution of micrometer level with a simple structure.
[0036]
The positional relationship between the excitation coil and the detection coil has a fixed positional relationship, such as arranging the detection coil on the outer periphery of the excitation coil shown in FIGS. 6 and 7 and arranging the excitation coil and the detection coil side by side on a straight axis. A fixed arrangement method may be used. The probe portion may be disposed by being inserted into at least one air core portion of the excitation coil and the detection coil. In addition to the conical shape, the probe portion may have another shape whose cross-sectional area changes, such as a part of a cone, a function rotating body having a longitudinal axis as a rotation axis, and a part of a pyramid.
[0037]
As described above, a simple configuration in which a light emitting element, a light receiving element, a displacement detection unit, or an excitation coil, a detection coil, and a probe part are provided inside the linear actuator is 0.1 to 0.01 micrometer , nanometer. The amount of order displacement can be easily detected.
[0038]
【The invention's effect】
The linear actuator including the rotation / straight-motion conversion mechanism according to the present invention reduces backlash and friction loss, and is small and light, and has high torque and high precision feed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a linear actuator according to an embodiment of the present invention in a linear axis direction.
FIG. 2 is a radial sectional view of a linear actuator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a portion where the first ball is rolled and supported by the first groove and the
FIGS. 4A and 4B are diagrams for explaining a difference in surface roughness between grinding and electric discharge machining in oil. FIG. 4A is a conventional grinding process, and FIG. 4B is an electric discharge in oil according to an embodiment of the present invention. This is the case for processing.
FIG. 5 is a block diagram in a case where an optical displacement sensor is provided as a reference example in the linear actuator according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram in the case where an inductance type displacement sensor is provided in the linear actuator according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram of a detection portion when a more sensitive inductance displacement sensor is provided in the linear actuator according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記回転・直進運動変換機構は、
前記直進運動の直進出力軸の直進軸方向に設けられた第一の溝を内部に備える筐体と、
外周に、前記直進軸方向に設けられた第二の溝を備え、前記第一の溝と第二の溝との間で転がり支持される複数の第一のボールを介し、筐体に対し直進運動をするボールナット手段と、
筐体に回転自在に軸支され、前記ボールナット手段との間で、複数の第二のボールを介して螺合し、回転運動をするボールねじ軸と、
を含み、
前記変位センサは、
所定の位置関係に配置された励磁コイルおよび検出コイルと、
検出コイルの出力端に入力端が接続された増幅器と、
増幅器の出力端と励磁コイルの入力端との間に設けられ、励磁コイルへの入力波形と検出コイルからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させて前記位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、
前記位相シフトにより生じた周波数偏差を検出する周波数計測手段と、
前記直進出力軸に設けられた、励磁コイルまたは検出コイルの少なくとも一つの空心部に挿入され、長手軸方向に断面積が変化する磁性体の棒状プローブと、
を備え、励磁コイルと検出コイルとの間の空間を含む閉ループの共振状態を維持しつつ、前記棒状プローブが長手軸方向に変位することで生ずる前記周波数偏差から、前記直進出力軸の変位量を検出することを特徴とするリニアアクチュエータ。In a linear actuator including a motor attached to a housing, a rotation / linear motion conversion mechanism that converts and transmits the rotational motion of the motor output shaft into a linear motion, and a displacement sensor that detects a displacement amount in the linear motion direction,
The rotation / linear motion conversion mechanism is
A housing provided therein with a first groove provided in the linear axis direction of the linear output shaft of the linear movement;
A second groove provided on the outer periphery in the linear axis direction is provided, and a plurality of first balls supported by rolling between the first groove and the second groove are linearly moved with respect to the housing. Ball nut means to exercise,
A ball screw shaft that is rotatably supported by the housing and is engaged with the ball nut means via a plurality of second balls, and rotates.
Including
The displacement sensor is
An excitation coil and a detection coil arranged in a predetermined positional relationship;
An amplifier having an input terminal connected to the output terminal of the detection coil ;
Provided between the output end of the amplifier and the input end of the excitation coil . When a phase difference occurs between the input waveform to the excitation coil and the output waveform from the detection coil , the phase difference is shifted to zero by changing the frequency. A phase shift circuit to
A frequency measuring means for detecting a frequency deviation caused by the phase shift;
A magnetic rod-shaped probe provided in the linear output shaft, inserted in at least one air core of an excitation coil or a detection coil, and having a cross-sectional area that varies in the longitudinal axis direction;
The amount of displacement of the linear output shaft is calculated from the frequency deviation caused by the displacement of the rod-shaped probe in the longitudinal axis direction while maintaining a closed loop resonance state including a space between the excitation coil and the detection coil. A linear actuator characterized by detecting.
前記励磁コイルは、互いに極性が逆向きに巻かれた二つのコイルが直列に接続されたものであることを特徴とするリニアアクチュエータ。The linear actuator according to claim 1 ,
The exciting coil is a linear actuator in which two coils wound in opposite polarities are connected in series .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001333763A JP4187433B2 (en) | 2001-10-31 | 2001-10-31 | Linear actuator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001333763A JP4187433B2 (en) | 2001-10-31 | 2001-10-31 | Linear actuator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003139215A JP2003139215A (en) | 2003-05-14 |
JP4187433B2 true JP4187433B2 (en) | 2008-11-26 |
Family
ID=19148977
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001333763A Expired - Fee Related JP4187433B2 (en) | 2001-10-31 | 2001-10-31 | Linear actuator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4187433B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101332690B (en) * | 2008-04-16 | 2012-09-05 | 株式会社Hitec | Decorating material and decoration |
US10272659B2 (en) | 2007-04-27 | 2019-04-30 | Panolam Industries International, Inc. | Multi-colored decorative laminate |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5085362B2 (en) * | 2008-02-06 | 2012-11-28 | 株式会社ミツトヨ | Absolute position measuring device |
JP2009276230A (en) * | 2008-05-15 | 2009-11-26 | Asmo Co Ltd | Stroke sensor, actuator and vehicle headlight device |
CN106767258A (en) * | 2016-12-30 | 2017-05-31 | 无锡凯涵科技有限公司 | A kind of wheel justifies jitter detection apparatus |
CN106903388B (en) * | 2017-03-28 | 2019-03-15 | 广东工业大学 | A kind of raceway processing unit (plant) of ball nut |
CN117109515B (en) * | 2023-10-25 | 2023-12-19 | 常州富丽康精密机械有限公司 | End face perpendicularity detection device based on ball screw production |
-
2001
- 2001-10-31 JP JP2001333763A patent/JP4187433B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10272659B2 (en) | 2007-04-27 | 2019-04-30 | Panolam Industries International, Inc. | Multi-colored decorative laminate |
CN101332690B (en) * | 2008-04-16 | 2012-09-05 | 株式会社Hitec | Decorating material and decoration |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2003139215A (en) | 2003-05-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7170214B2 (en) | Mechanism comprised of ultrasonic lead screw motor | |
US6940209B2 (en) | Ultrasonic lead screw motor | |
US10500734B1 (en) | Servo assembly, robot joint and robot | |
JP4791095B2 (en) | Linear actuator | |
US4496865A (en) | Methods and apparatus for translating electric motor rotation into linear travel | |
US9528581B2 (en) | Motor driven linear actuator and electric motor thereof | |
JP4187433B2 (en) | Linear actuator | |
CN102171914A (en) | Combined linear and rotary actuator | |
US20070279138A1 (en) | Induction Sensor | |
US20130291669A1 (en) | Linear actuator and linear actuating module having same | |
JP2013171048A (en) | Device for measuring rotational angle of rotary member | |
JP4465240B2 (en) | Transmission gear device and vehicle steering system using the same | |
JP2002243402A (en) | Position detection structure for direct coupled shaft and head for mounting of electronic component | |
CA2519892A1 (en) | A method and a sensor device for measuring the distance between a stator and an opposing rotor | |
JP2005261029A (en) | Electric actuator | |
JP2004163274A (en) | Apparatus for detecting amount of steering and complex type apparatus for detecting amount of steering | |
JP2005031011A (en) | Position detecting device | |
JP2004045080A (en) | Position detecting structure for linear motion rotating shaft, and linear motion rotating device for mounting electronic parts | |
JP5812826B2 (en) | Fluid pressure actuator | |
KR102136709B1 (en) | Torque measuring system | |
KR0180941B1 (en) | Electrically operated type power steering apparatus | |
JP2700641B2 (en) | Lead screw device | |
JP3364806B2 (en) | Linear actuator | |
JPH06185580A (en) | Cup-form wave motion device with magnetostrictive type torque detector | |
US20040189234A1 (en) | Uniaxial drive unit |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041028 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20041028 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070313 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070403 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070601 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20080226 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080404 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080423 |
|
A911 | Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20080617 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080826 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080909 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Ref document number: 4187433 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130919 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130919 Year of fee payment: 5 |
|
S303 | Written request for registration of pledge or change of pledge |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R316304 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130919 Year of fee payment: 5 |
|
R371 | Transfer withdrawn |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R371 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130919 Year of fee payment: 5 |
|
S303 | Written request for registration of pledge or change of pledge |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R316304 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130919 Year of fee payment: 5 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |