JP4357354B2 - 電動式ロータリアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は回転テーブルを電動モータにより正逆両方向に回転させる電動式ロータリアクチュエータに関する。

被加工物や工具などが配置される回転テーブルを所定の角度毎に割り出し回転させたり、正逆両方向に回転させるためにロータリアクチュエータが使用されている。回転駆動源として電動モータを用いる場合には、モータ主軸の回転を減速して回転テーブルに伝達するために歯車列を電動モータと回転テーブルとの間に組み込む必要がある。回転数を減速するための歯車列としては、ウォームとウォームホイールとを歯車対としたウォームタイプと、それぞれ平歯車からなる小歯車と大歯車とを歯車対とした平歯車タイプがあり、回転テーブルに固定される回転軸を含めて歯車列はハウジング内に組み込まれることになる。

歯車列を平歯車タイプとするとウォームタイプよりも歯面間の滑り量が小さく動力の伝達損失を少なくすることができるという利点があることから、電子部品の生産装置には多用されており、小型の電子部品の生産装置においてはロータリアクチュエータの小型化が望まれているが、平歯車タイプのロータリアクチュエータにおいては歯面間のバックラッシュのために高精度に割り出し回転を行うことができないのみならず、その小型化には限度があった。そこで、電動式ロータリアクチュエータの割り出し回転の精度を向上するとともに、高さ寸法と長さ寸法を小さくしてこれを小型化するために、発明者等によって種々の検討が行われた。

従来の平歯車タイプのロータリアクチュエータにおいては、回転テーブルを回転駆動する回転軸に回転テーブルの回転角度を検出するエンコーダを取り付けるようにしているため、モータ主軸と回転軸との間の軸間距離が長くなり、ロータリアクチュエータの長さ寸法を短くすることが困難であった。また、停止状態の回転テーブルに外部から回転力が加わったときに回転テーブルに制動力を加えるためブレーキ機構をロータリアクチュエータに組み込む場合には、従来ではブレーキ機構を電動モータ主軸に直列に連結するようにしているので、ロータリアクチュエータの高さ寸法を短くすることが困難であった。

本発明の目的は小型の電動式ロータリアクチュエータを提供することにある。

本発明の目的は、割り出し角度を高精度に設定することができる電動式ロータリアクチュエータを提供することにある。

本発明の電動式ロータリアクチュエータは、支持板とこれにほぼ平行な天板と前記支持板および前記天板の間に設けられる外周壁とを有し、内部に収容室を形成するハウジングと、前記天板の外側に配置される回転テーブルが設けられ、前記ハウジングに回転自在に装着される回転軸と、当該回転軸に固定された従動歯車に噛み合う正転駆動歯車が固定され、前記回転軸に平行なモータ主軸を有する電動モータと、前記回転軸を介して前記モータ主軸に対し前記収容室内の反対側に前記回転軸に平行に配置され、前記従動歯車に噛み合う逆転駆動歯車が固定された逆転用駆動軸と、前記モータ主軸に固定された第１のタイミングプーリと前記逆転用駆動軸に固定された第２のタイミングプーリとに掛け渡される逆転用タイミングベルトとを有し、前記回転テーブルを一方向に駆動するときには前記正転駆動歯車を介して前記従動歯車を駆動し、前記回転テーブルを他方向に駆動するときには前記タイミングベルトおよび前記逆転駆動歯車を介して前記回転テーブルを駆動することを特徴とする。

本発明の電動式ロータリアクチュエータは、前記収容室に配置されるブレーキ機構に前記逆転用駆動軸を取り付けることを特徴とする。また、本発明の電動式ロータリアクチュエータは、前記回転軸に前記支持板側と前記天板側との間に貫通する貫通孔を形成することを特徴とする。さらに、本発明の電動式ロータリアクチュエータは、前記従動歯車、前記正転駆動歯車および前記逆転駆動歯車が平歯車であることを特徴とする。

本発明の電動式ロータリアクチュエータは、前記収容室内に組み込まれるエンコーダのエンコーダ軸と前記回転軸とをタイミングベルトにより連結し、前記回転テーブルの回転角度を前記エンコーダにより検出することを特徴とする。

本発明によれば、回転テーブルが設けられた回転軸に対してそれぞれ平行であって回転軸の両側にモータ主軸と逆転用駆動軸とを配置するようにし、モータ主軸の正転方向の回転を正転駆動歯車と従動歯車とを介して回転テーブルに伝達し、モータの逆転方向の回転をタイミングベルトと逆転駆動歯車とを介して回転テーブルに伝達するようにしたので、歯車相互間のバックラッシュの影響を受けることなく、回転テーブルを高精度に割り出し回転させることができる。

回転軸に対して両側に配置されたモータ主軸と逆転用駆動軸とにそれぞれ取り付けられたタイミングプーリにタイミングベルトを掛け渡すようにしたので、タイミングベルトは回転軸を囲むようにして配置されることになり、回転テーブルをハウジングの中央部に配置することができるとともに電動式ロータリアクチュエータの幅寸法を小さくすることができる。

逆転用駆動軸にブレーキ機構を設けることによって、ブレーキ機構を搭載しても電動式ロータアクチュエータを小型化することができる。回転軸に貫通孔を形成して回転軸を中空軸とすることにより、貫通孔に配線ケーブルや配管などを組み込むことができ、ロータリアクチュエータの周囲に配線ケーブルや配管などを配置することが不要となり、配線ケーブルなどを含めて電動式ロータリアクチュエータを小型化することができる。

従動歯車と正転駆動歯車と逆転駆動歯車とを平歯車とすることにより、動力の伝達効率を高めることができる。

エンコーダ軸が回転軸に平行となるようにエンコーダを収容室内に組み込み、タイミングベルトにより回転軸の回転をエンコーダ軸に伝達するようにしたので、モータ主軸と回転軸との間の軸間距離を短くすることができ、電動式ロータリアクチュエータを小型化することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態である電動式ロータリアクチュエータの外観を示す斜視図であり、図２は図１の縦断面図であり、図３は図２におけるIII−III線に沿う断面図であり、図４は図２におけるIV−IV線に沿う断面図であり、図５は図２におけるＶ−Ｖ線に沿う断面図である。

電動アクチュエータは、図１に示すように支持板１１とこれにほぼ平行な天板１２とこれらの間に設けられるほぼ角筒形状の外周壁１３とからなるハウジング１０を有し、ハウジング１０内には図２に示すように収容室１４が形成される。支持板１１と天板１２との間には複数本の支柱１５が図４に示すように取り付けられており、天板１２に取り付けられるねじ部材１６によって天板１２は支柱１５に固定され、支持板１１も同様にねじ部材（図示省略）によって支柱１５に固定されるようになっている。ただし、天板１２と外周壁１３とを一体化した部材と支持板１１とによりハウジング１０を形成するようにしても良く、支持板１１と外周壁１３とを一体化した部材と天板１２とによりハウジング１０を形成するようにしても良い。ハウジング１０は支持板１１の四隅に形成された取付孔１１ａに図示しないねじ部材を取り付けることにより支持台などに取り付けられることになる。

図２および図３に示すように、ハウジング１０内にはその中央部分に回転軸１７が装着されており、回転軸１７は支持板１１に取り付けられる軸受１８ａと天板１２に取り付けられる軸受１８ｂとによりハウジング１０に回転自在に支持されている。回転軸１７には天板１２の外側に配置される回転テーブル１９が固定されており、回転テーブル１９は天板１２に形成された凹部２０内に一部が入り込んでいる。

収容室１４内には、図２および図３に示すように、その一端部側に電動モータ２１が配置され、電動モータ２１はそのモータ主軸２２が回転軸１７と平行となるように天板１２に固定されている。回転軸１７には平歯車からなる従動歯車２３が固定され、この従動歯車２３にはモータ主軸２２に設けられた平歯車からなる正転駆動歯車２４が噛み合っている。従動歯車２３のピッチ径は正転駆動歯車２４のピッチ径の約１０倍程度に設定されており、電動モータ２１の回転は正転駆動歯車２４と従動歯車２３とからなる歯車列によって約１０分の１に減速されて回転軸１７に伝達される。

収容室１４内にはその他端部側にブレーキ機構２５が配置されており、このブレーキ機構２５には回転軸１７に対して平行となって逆転用駆動軸２６が取り付けられ、逆転用駆動軸２６には従動歯車２３に噛み合う逆転駆動歯車２７が設けられており、逆転駆動歯車２７のピッチ径は正転駆動歯車２４のピッチ径と同一となっている。図２および図４に示すように、モータ主軸２２には第１のタイミングプーリ２８がねじ部材３１により固定され、逆転用駆動軸２６には第２のタイミングプーリ２９がねじ部材３２により固定され、両方のタイミングプーリ２８，２９には逆転用のタイミングベルト３０が掛け渡されている。

回転軸１７はハウジング１０内の収容室１４の中央部に配置され、電動モータ２１は図２および図３に示されるように収容室１４の一端部側に配置され、ブレーキ機構２５は収容室１４の他端部側に配置されている。したがって、回転テーブル１９をハウジング１０の表面中央部に配置することができるとともに、タイミングベルト３０は回転軸１７を囲むようにタイミングプーリ２８，２９に掛け渡されており、ハウジング１０の幅寸法および長さ寸法を短くすることができ、ロータリアクチュエータの小型化が達成される。

従動歯車２３、正転駆動歯車２４および逆転駆動歯車２７は、図３に示すように、いずれも正転側の歯面２３ａ，２４ａ，２７ａと、逆転側の歯面２３ｂ，２４ｂ，２７ｂとを有しており、噛み合って対をなす歯車の歯幅は歯溝の幅よりも小さい寸法に設定されており、対をなす歯車の歯面間にはバックラッシュつまり隙間Ｓが形成されている。一方、タイミングプーリ２８，２９とタイミングベルト３０は、図４に示すように、いずれも正転側の歯面２８ａ，２９ａ，３０ａと、逆転側の歯面２８ｂ，２９ｂ，３０ｂとを有しており、噛み合って対をなすプーリとベルトの歯の歯幅は歯溝の幅よりも小さい寸法に設定されており、対をなすタイミングプーリとタイミングベルトの歯面間にはバックラッシュつまり隙間Ｓが形成されている。このようにバックラッシュＳが歯面間に設けられているので、正転時には正転側の歯面のみが接触して逆転側の歯面は接触することなく、歯車およびタイミングプーリなどの噛み合い要素は円滑に回転することになる。逆転時には同様にして歯車およびタイミングプーリなどの噛み合い要素は円滑に回転することになる。

図３に矢印Ｆで示す方向をモータ主軸２２および回転軸１７の正転方向とし、この方向と逆方向の矢印Ｒで示す方向を逆転方向とすると、モータ主軸２２が正転方向Ｆに回転するときには、図３に示すように、正転駆動歯車２４の正転側の歯面２４ａが従動歯車２３の正転側の歯面２３ａに接触し、モータ主軸２２が逆転方向Ｒに回転するときには、逆転駆動歯車２７の逆転側の歯面２７ｂが従動歯車２３の逆転側の歯面２３ｂに接触する。

第１のタイミングプーリ２８は、図４に示すように、モータ主軸２２が逆転方向Ｒに回転するときには、逆転側の歯面２８ｂがタイミングベルト３０の逆転側の歯面３０ｂに接触するとともに、タイミングベルト３０の逆転側の歯面３０ｂは第２のタイミングプーリ２９の逆転側の歯面２９ｂに接触し、さらに上述したように逆転駆動歯車２７の逆転側の歯面２７ｂが従動歯車２３の逆転側の歯面２３ｂに接触する。

このような接触状態に設定するには、例えば、正転駆動歯車２４の正転側の歯面２４ａを従動歯車２３の正転側の歯面２３ａに接触させた状態のもとで、逆転駆動歯車２７の逆転側の歯面２７ｂと従動歯車２３の逆転側の歯面２３ｂとを接触させるとともに、それぞれのタイミングプーリ２８，２９の逆転側の歯面２８ｂ，２９ｂをタイミングベルト３０の逆転側の歯面３０ｂに接触させるようにタイミングプーリ２８，２９の回転方向の位置を調整して、ねじ部材３１，３２によりタイミングプーリ２８，２９をそれぞれ軸に固定する。その際には予め一方のねじ部材３１または３２を固定しておき、回転方向の位置調整終了後に他方のねじ部材３１または３２を締結するようにしても良い。

このように調整すると、モータ主軸２２の正転時には正転駆動歯車２４は正転側の歯面２４ａが従動歯車２３の正転側の歯面２３ａに接触してモータ回転が回転テーブル１９に伝達され、このときには逆転側の歯面２４ｂと逆転側の歯面２３ｂは接触することなく、タイミングプーリ２８，２９の逆転側の歯面２８ｂ，２９ｂはタイミングベルト３０の逆転側の歯面３０ｂには接触しない。一方、モータ主軸２２を逆転させて回転テーブル１９を逆転させるときには、モータ主軸２２の回転がタイミングプーリ２８，２９とタイミングベルト３０を介して逆転用駆動軸２６に伝達され、逆転用駆動軸２６から逆転駆動歯車２７を介して従動歯車２３に回転が伝達されることになり、このときには、逆転側の歯面２７ｂは従動歯車２３の逆転側の歯面２３ｂに接触することになり、正転側の歯面は相互に接触しない。したがって、回転テーブル１９を正転から逆転に反転させるとき、および逆転から正転に反転させるときには、歯車やタイミングプーリの歯面相互間におけるバックラッシュの影響を受けることなく、高い精度で回転テーブル１９を正転方向と逆転方向に割り出し回転させることができる。

回転テーブル１９の回転を停止させた状態でロックする場合には、ブレーキ機構２５を作動させることになる。このブレーキ機構２５は支持板１１に固定されるケース３３を有し、このケース３３の中には逆転用駆動軸２６と一体に回転する回転ディスクと、この回転ディスクに対向する制動板とそれを作動させるソレノイドとが収納されている。ただし、ブレーキ機構２５を設けない場合には、逆転用駆動軸２６は支持板１１と天板１２との間で回転自在に支持される。ブレーキ機構を作動させて回転テーブル１９をロックする場合には、回転テーブル１９に正逆いずれの方向に外力が加わっても、バックラッシュの影響を受けることなく、確実に所定の位置で回転テーブル１９を停止させることができる。

図５に示すように、支持板１１に固定されるブラケット３４にはエンコーダ３５が取り付けられている。エンコーダ軸３６に固定されたタイミングプーリ３７と、回転軸１７に固定されたタイミングプーリ３８との間にはタイミングベルト３９が掛け渡されており、エンコーダ３５は回転軸１７の回転角度を直接タイミングベルト３９を介して検出することができるので、回転軸１７の回転角度および回転方向をエンコーダからの信号によって検出することができる。２つのタイミングプーリ３７，３８は同じ外径となっており、エンコーダ３５は回転テーブル１９と１対１の関係で回転して同一回転数となるので、回転テーブル１９の回転角度をエンコーダ３５で直接読み取ることができ、さらにエンコーダ３５に原点信号を出力するようにしておけば、原点位置をエンコーダ３５で直接読み取ることができる。

図２に示すように、回転軸１７には支持板側から天板側に貫通する貫通孔４１が形成されており、回転軸１７は中空軸となっている。この貫通孔４１内に信号ケーブルや正圧ないし負圧の配管を配置することによって、回転テーブル１９に設けられる治具などに対して信号や流体を案内するためのケーブルないし配管がハウジング１０の外側に這い回されることを防止でき、電動式ロータリアクチュエータを使用した装置の小型化を達成することができる。なお、符号４２は電動モータ２１およびブレーキ機構２５に対する電力の供給とエンコーダ３５からの検出信号を送信するためのケーブルを示す。

図６および図７はそれぞれ比較例としての電動式ロータリアクチュエータを示す断面図であり、図６に示すように、エンコーダ３５を回転軸１７に取り付けるようにすると、回転軸１７とモータ主軸２２との間の軸間距離が図２に示す場合に比して大きくなり、ロータリアクチュエータの図６における左右方向の寸法つまり長さ寸法が大きくなる。図６に示す場合には、図２に示したブレーキ機構２５は設けられていないが、図６に示すロータリアクチュエータにブレーキ機構２５を組み込むと、さらに長さ寸法が大きくなってしまい、小型化を達成することはできなくなる。特に、回転軸１７に貫通孔４１を形成すると、回転軸１７の径が大きくなってしまうので、軸間距離がさらに大きくなってしまう。

一方、図７に示すように、ブレーキ機構２５を電動モータ２１に直列に連結するようにすると、図７と図２との比較から明らかなように、ロータリアクチュエータの高さ寸法が大きくなり、これの小型化を達成することはできなくなる。したがって、従来のように、エンコーダ３５を回転軸１７に同軸状に組み込み、ブレーキ機構２５をモータ主軸２２に同軸状に配置すると、ロータリアクチュエータの長さ寸法と高さ寸法がどうしても大きくなって、これの小型化が達成されなかったが、本発明にあっては、従動歯車２３に噛み合う逆転駆動歯車２７が設けられた逆転用駆動軸２６と回転軸１７とモータ主軸とを相互に平行に配置してこれらで３軸構造とし、歯車のバックラッシュの影響をなくすようにしても、ロータリアクチュエータの小型化を達成することができる。特に、回転軸１７と逆転用駆動軸２６との間のスペースを利用してここにエンコーダ３５を配置するようにしたので、回転軸１７の貫通孔４１を形成しても、モータ主軸２２と回転軸１７の軸間距離を大きくすることなく、小型化が達成される。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。たとえば、図３および図４において矢印Ｆで示す方向にモータ主軸２２などを回転させるときには正転駆動歯車２４により従動歯車２３を直接回転させ、矢印Ｒで示す方向にモータ主軸などを回転させるときにはタイミングベルト３０を介して従動歯車２３を回転させるようにしているが、従動歯車２３を直接回転させるときと、タイミングベルト３０を介して回転させるときとで回転方向が逆であれば、いずれの方向を正転方向としても良い。

本発明の一実施の形態である電動式ロータリアクチュエータの外観を示す斜視図である。 図１の縦断面図である。 図２におけるIII−III線に沿う断面図である。 図２におけるIV−IV線に沿う断面図である。 図２におけるＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 比較例である電動式ロータリアクチュエータを示す断面図である。 他の比較例である電動式ロータリアクチュエータを示す断面図である。

符号の説明

１０ ハウジング
１１ 支持板
１２ 天板
１３ 外周壁
１４ 収容室
１５ 支柱
１６ ねじ部材
１７ 回転軸
１８ａ，１８ｂ 軸受
１９ 回転テーブル
２０ 凹部
２１ 電動モータ
２２ モータ主軸
２３ 従動歯車
２４ 正転駆動歯車
２５ ブレーキ機構
２６ 逆転用駆動軸
２７ 逆転駆動歯車
２８ 第１のタイミングプーリ
２９ 第２のタイミングプーリ
３０ タイミングベルト
３１ ねじ部材
３２ ねじ部材
３３ ケース
３４ ブラケット
３５ エンコーダ
３６ エンコーダ軸
３７，３８ タイミングプーリ
３９ タイミングベルト
４１ 貫通孔

Claims (5)

1. 支持板とこれにほぼ平行な天板と前記支持板および前記天板の間に設けられる外周壁とを有し、内部に収容室を形成するハウジングと、
   前記天板の外側に配置される回転テーブルが設けられ、前記ハウジングに回転自在に装着される回転軸と、
   当該回転軸に固定された従動歯車に噛み合う正転駆動歯車が固定され、前記回転軸に平行なモータ主軸を有する電動モータと、
   前記回転軸を介して前記モータ主軸に対し前記収容室内の反対側に前記回転軸に平行に配置され、前記従動歯車に噛み合う逆転駆動歯車が固定された逆転用駆動軸と、
   前記モータ主軸に固定された第１のタイミングプーリと前記逆転用駆動軸に固定された第２のタイミングプーリとに掛け渡される逆転用タイミングベルトとを有し、
   前記回転テーブルを一方向に駆動するときには前記正転駆動歯車を介して前記従動歯車を駆動し、前記回転テーブルを他方向に駆動するときには前記タイミングベルトおよび前記逆転駆動歯車を介して前記回転テーブルを駆動することを特徴とする電動式ロータリアクチュエータ。
2. 請求項１記載の電動式ロータリアクチュエータにおいて、前記収容室に配置されるブレーキ機構に前記逆転用駆動軸を取り付けることを特徴とする電動式ロータリアクチュエータ。
3. 請求項１記載の電動式ロータリアクチュエータにおいて、前記回転軸に前記支持板側と前記天板側との間に貫通する貫通孔を形成することを特徴とする電動式ロータリアクチュエータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動式ロータリアクチュエータにおいて、前記従動歯車、前記正転駆動歯車および前記逆転駆動歯車は平歯車であることを特徴とする電動式ロータリアクチュエータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動式ロータリアクチュエータにおいて、前記収容室内に組み込まれるエンコーダのエンコーダ軸と前記回転軸とをタイミングベルトにより連結し、前記回転テーブルの回転角度を前記エンコーダにより検出することを特徴とする電動式ロータリアクチュエータ。
   
   

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