JP4440959B2 - サーボモータ付き直線作動機 - Google Patents

Description

本発明は、搬送装置に使用される仕分け機構の駆動源や精密機械のアクチュエータ等として使用される電動モータの回転によりロッドを伸縮させて直線運動を行う直線作動機に関し、特に、高速かつ大推力、高い停止精度、高頻度正逆運転対応が要求される分野で使用されるサーボモータ付き直線作動機に関する。

従来、モータで駆動される直線作動機としては、回転駆動されるねじ軸と、ねじ軸に螺合しねじ軸が回転駆動されたとき軸方向に直線移動するナットと、ナットに連結されてナットとともに軸方向に直線移動するロッド（内筒）と、ロッドの移動範囲を規制するストッパと、ロッドとストッパを内挿するフレーム（外筒）を有する直線作動機がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２２１３１３号公報（特に、第３頁、図１参照）

しかしながら、前述したような従来の直線作動機は、駆動源として汎用モータを用いており、高速かつ大推力、高い停止精度、高頻度正逆運転対応が要求される分野での使用には、適していなかった。また、駆動源としてサーボモータを用い、ねじ軸にボールねじを用いて高速かつ大推力、高い停止精度、高頻度正逆運転対応というような高度な顧客ニーズに対応することも行われているが、サーボモータは、出力容量の違い、メーカの違いなどにより、回転軸の長さや取付孔ピッチ等がそれぞれ異なっているため、使用されるサーボモータに対応させて直線作動機を構成するアクチュエータの専用部品を用意する必要があり、在庫として保有する部品点数が増加してコストアップの原因になるという課題があった。

また、前述したようなサーボモータ付き直線作動機は、ロッドの進退方向を垂直方向あるいは傾斜方向にするというニーズがあるが、従来のサーボモータ付き直線作動機は、ロッドの進退方向を垂直方向あるいは傾斜方向にすることに対して配慮がなされていないため、ロッドの進退方向を垂直方向あるいは傾斜方向として使用した場合、ボールねじ部のグリースがサーボモータ側に垂れてきて、サーボモータ内部に浸入し、サーボモータに内装されているエンコーダに付着してサーボモータの回転が停止したり、正常な制御ができなくなるというような課題があった。

そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、各メーカや出力容量やサイズの異なる複数のサーボモータに対して、直線作動機を構成するアクチュエータの専用部品を増加させることなく対応可能とするとともに、直線作動機のロッドの進退方向を垂直方向あるいは傾斜方向として使用した場合であってもグリースがサーボモータ内部に浸入することを防止し、しかも、ねじ軸のぶれを抑制し、安定した正逆回転を実現できるサーボモータ付き直線作動機を提供することにある。

まず、本請求項１に係る発明は、出力容量とサイズの異なる複数のサーボモータ群から選ばれた１つのサーボモータと、該サーボモータの回転軸と嵌着するカップリングと、該カップリングを覆うカップリングケースと、該カップリングケースと前記サーボモータの回転軸を有する面との間に装着されるモータフランジと、前記カップリングを介して前記回転軸に連結されるねじ軸と、該ねじ軸を軸支するベアリングが内装されたベアハウジングと、該ベアハウジングと前記カップリングとの間において前記ねじ軸に螺合する止めナットを有するサーボモータ付き直線作動機であって、前記カップリングケースが、前記サーボモータ群に含まれる最小サイズのサーボモータに適合する形状を有し、前記カップリングが、前記サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータに適合し、且つ、前記カップリングのハブ許容最大軸穴径が、前記サーボモータ群に含まれるサーボモータの最大軸径よりも大きく、前記モータフランジが、前記サーボモータ群に含まれるそれぞれのサーボモータの出力容量とサイズに対応した取合部とフランジ厚みを有する予め用意された複数のものの中から選ばれ、前記ねじ軸及び前記ベアリングのサイズが、前記サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータに適合しており、前記止めナットが、前記ベアハウジング側に環状凸部を有し、前記環状凸部の外周にオイルシールが装着されているとともに、前記オイルシールを内装して支持するシールカバーが前記ベアハウジングに固設されており、前記ベアリングが、テーパベアリングを２つ離間して配設したものからなることにより、前記課題を解決したものである。

ここで、カップリングが、サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータに「適合する」とは、カップリングが許容可能な伝達トルクが、サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータのトルクより大きく、且つ、カップリングの強度を決定するハブ外径が、サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータのトルクに耐え得る大きさ以上であることを意味している。

なお、「出力容量とサイズの異なる複数のサーボモータ群」とは、各メーカや型番の違うさまざまなサーボモータの集まりを意味しているが、実際には、市販されているすべてのサーボモータの集まりを意味しているわけではなく、モータフランジの取合部とフランジ厚みを調整することによって、直線作動機に結合可能となるサーボモータの集まりを意味している。

ここで、ねじ軸及びベアリングのサイズが、サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータに「適合する」とは、ねじ軸の強度を決定するサイズとそのねじ軸を軸支するベアリングのサイズが、サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータのトルクに耐え得る大きさ以上であることを意味している。

本発明のサーボモータ付き直線作動機は、出力容量とサイズの異なる複数のサーボモータ群から選ばれた１つのサーボモータと、該サーボモータの回転軸と嵌着するカップリングと、該カップリングを覆うカップリングケースと、該カップリングケースと前記サーボモータの回転軸を有する面との間に装着されるモータフランジと、前記カップリングを介して前記回転軸に連結されるねじ軸と、該ねじ軸を軸支するベアリングが内装されたベアハウジングと、該ベアハウジングと前記カップリングとの間において前記ねじ軸に螺合する止めナットを有することにより、前記ねじ軸と前記カップリングの組み合わせによりキー締結のようなガタが生じることなくサーボモータの性能が最大限に発揮されるので、高速かつ大推力、高い停止精度、高頻度正逆運転対応が実現でき、加えて、以下のような特有の構成に対応した格別の効果を奏することができる。

本請求項１に係るサーボモータ付き直線作動機によれば、カップリングケースが、サーボモータ群に含まれる最小サイズのサーボモータに適合する形状を有し、カップリングが、サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータに適合し、且つ、カップリングのハブ許容最大軸穴径が、サーボモータ群に含まれるサーボモータの最大軸径よりも大きく、モータフランジが、サーボモータ群に含まれるそれぞれのサーボモータの出力容量とサイズに対応した取合部とフランジ厚みを有する予め用意された複数のものの中から選ばれ、ねじ軸及びベアリングのサイズが、サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータに適合しており、止めナットが、ベアハウジング側に環状凸部を有し、環状凸部の外周にオイルシールが装着されているとともに、オイルシールを内装して支持するシールカバーが前記ベアハウジングに固設されており、ベアリングが、テーパベアリングを２つ離間して配設したものからなることにより、出力容量とサイズの異なる複数のサーボモータ群のそれぞれに対して、モータフランジを変更するだけで対応でき、直線作動機を構成する他の部品を共通化することができるので、使用するサーボモータに対応させて直線作動機を構成するアクチュエータの専用部品を用意する必要がなく、在庫として保有する部品点数を削減でき、コストダウンを図ることができる。

すなわち、カップリングケースが、サーボモータ群に含まれる最小サイズ（突出している回転軸の長さが最小）のサーボモータに適合する形状を有することによって、大きなサイズのサーボモータを取り付ける際にはモータフランジの厚みを変更することでモータ回転軸とねじ軸の軸面間距離を一致させることができる。そのため、カップリングケースは、サーボモータ群に含まれるサーボモータ毎に変更する必要がなく共通化することができる。

また、カップリングを、サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータに適合させ、且つ、カップリングのハブ許容最大軸穴径を、サーボモータ群に含まれるサーボモータの最大軸径よりも大きくしたことにより、カップリングが、サーボモータ群に含まれる他の低容量で軸径の細いサーボモータに対して、伝達トルクや強度、軸径の点で余裕を有する。しかも、カップリングのハブの軸穴径はボルトを締めることによって締結することができる。そのため、キー溝の無いサーボモータでも取り付けることが可能となる。

そして、出力側のねじ軸及びベアリングの許容強度が入力側に接続されるすべてのサーボモータのトルクより大きくなるので、ねじ軸及びベアリングは、サーボモータ群に含まれるサーボモータ毎に変更する必要がなく共通化することができる。

さらに、ボールねじに給油されたグリースがサーボモータ側に浸入することをオイルシールが確実に遮断するので、直線作動機を垂直向き又は傾斜向きに設置した場合であっても、サーボモータ内部にグリースが浸入することが防止され、安定した運転が実現できる。また、ベアリングが、テーパベアリングを２つ離間して配設したものからなることにより、ねじ軸の荷重を点で受けるのではなく線で受けるので、ねじ軸のぶれが抑制され、安定した正逆回転が実現できる。

本発明のサーボモータ付き直線作動機は、出力容量とサイズの異なる複数のサーボモータ群から選ばれた１つのサーボモータと、このサーボモータの回転軸と嵌着するカップリングと、このカップリングを覆うカップリングケースと、このカップリングケースとサーボモータの回転軸を有する面との間に装着されるモータフランジと、カップリングを介してサーボモータの回転軸に連結されるねじ軸と、このねじ軸を軸支するベアリングが内装されたベアハウジングと、このベアハウジングとカップリングとの間においてねじ軸に螺合する止めナットを有するとともに、カップリングケースが、サーボモータ群に含まれる最小サイズのサーボモータに適合する形状を有し、カップリングが、サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータに適合し、且つ、カップリングのハブ最大軸孔径が、サーボモータ群に含まれるサーボモータの最大軸径よりも大きく、モータフランジが、サーボモータ群に含まれるそれぞれのサーボモータの出力容量とサイズに対応した取合部とフランジ厚みを有する予め用意された複数のものの中から選ばれることによって、高速かつ大推力、高い停止精度、高頻度運転対応を実現し、出力容量とサイズの異なる複数のサーボモータに対して、直線作動機を構成するアクチュエータの専用部品を増加させることなく対応可能とするものであれば、その具体的な実施の形態は、如何なるものであっても何ら構わない。

例えば、本発明のサーボモータ付き直線作動機は、ロッドを水平方向に進退させるように床面に設置したり、ロッドを垂直方向に進退させるように壁面に設置する場合でも何ら支障はない。

以下、本発明の一実施例を図１乃至図１０に基づいて説明する。

ここで、図１は、本実施例のサーボモータ付き直線作動機の主要部分であるサーボモータと直線作動機のアクチュエータ部分との連結部の構造が分かるように連結部分のみを切断面として全体を示した側面図であり、図２は、図１のＩＩ部分を拡大して示した断面図であり、図３（ａ）乃至図３（ｃ）は、出力容量とサイズの異なる３つのサーボモータを取り付けたときのそれぞれのサーボモータ付き直線作動機の外観を示した側面図であり、図４は、本実施例のサーボモータ付き直線作動機の構成要素である止めナットの断面図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ線における正面図であり、図６は、本実施例のサーボモータ付き直線作動機の構成要素である別の形状の止めナットの断面図であり、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線における正面図であり、図８は、本実施例のサーボモータ付き直線作動機の構成要素であるさらに別の形状の止めナットの断面図であり、図９は、図８のＩＸ−ＩＸ線における正面図であり、図１０は、本実施例のサーボモータ付き直線作動機の構成要素であるモータフランジの別の形状を示す側面図である。

本実施例のサーボモータ付き直線作動機１００は、図１及び図２に示すように、出力容量とサイズの異なる複数のサーボモータ群から選ばれた１つのサーボモータ１９０と、このサーボモータ１９０の回転軸１１０と嵌着するカップリング１３２と、このカップリング１３２を覆うカップリングケース１３０と、このカップリングケース１３０とサーボモータ１９０の回転軸１１０を有する面との間に装着されるモータフランジ１２０と、カップリング１３２を介して回転軸１１０に連結されるねじ軸１７０と、このねじ軸１７０を軸支するベアリング１６０が内装されたベアハウジング１５０と、このベアハウジング１５０とカップリング１３２との間においてねじ軸１７０に螺合する止めナット１４０とを有している。

本実施例においては、ベアリング１６０として、ころ軸受の一種である円錐ころ軸受、所謂テーパベアリングを２つ離間して配設している。このような構成にすることによって、ねじ軸１７０から受ける荷重を玉軸受のように点で受けるのではなく、線で受けるので高い荷重に耐えることができる。しかも、テーパベアリングを２つ離間して配設したことにより、ねじ軸１７０のぶれが抑制され、安定した正逆回転が実現できる。

また、ねじ軸１７０には、図１に示すように、ナット１７２が螺合して、ボールねじを構成している。ボールねじは、ねじ軸１７０とナット１７２の間で鋼球が転がり運動をするため、摩擦係数は０．００５以下ときわめて小さい。このため、伝動効率は９０％以上、始動トルクもすべりねじに比べて１／３以下と小さいので高頻度正逆運転が要求される分野での使用に特に適している。
そして、ナット１７２に連結されるとともに、ねじ軸１７０を内挿し、ねじ軸１７０の正逆回転に対応して、ナット１７２とともに軸方向に進退移動するロッド１７４を有しており、このロッド１７４を内挿するようにフレーム１８０が設けられている。このフレーム１８０の一端は、図２に示すように、ベアハウジング１５０のマウント部１５０ａに外嵌している。さらに、ロッド１７４の先端には、負荷に接続される先端金具１７８が設けられている。また、ベアハウジング１５０のフレーム１８０側の開口部内周面は螺刻されており、ナット１７２がベアリング１６０側に衝突した際の噛み込みを防止するストッパプレート１５６が、螺嵌されている。

カップリングケース１３０は、サーボモータ群に含まれるモータフランジ面からモータ軸端までの長さが最小なサーボモータに適合する形状を有している。このようにすることによって、サーボモータ群に含まれるどのサーボモータ１９０を用いたとしても、後述するモータフランジ１２０を介して連結するサーボモータ１９０の回転軸１１０がカップリング１３２に届かないということがなくなる。
また、カップリング１３２は、高ねじり剛性且つ小型軽量でサーボモータ１９０に対する追従性に優れ、精密な制御に適したディスクカップリングを使用している。そして、サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータ１９０に適合するとともに、カップリング１３２のハブ許容最大軸穴が、サーボモータ群に含まれるサーボモータ１９０の最大軸径より大きくなるように設定することによって、サーボモータ群に含まれるすべてのサーボモータ１９０に対してカップリング１３２のサイズを変更することなく、回転軸１１０とねじ軸１７０との連結を実現している。

さらに、カップリングケース１３０と、このカップリングケース１３０とサーボモータ１９０の回転軸１１０を有する面との間に装着されるモータフランジ１２０は、サーボモータ群に含まれる各メーカ毎や型番に対応した取合部とフランジ厚みを有した複数のモータフランジ１２０が予め用意されており、図３に示すように直線作動機に連結されるサーボモータ１９０に対応して選択的に使用される。

すなわち、図３は、メーカや型番の異なるサーボモータに対応した事例を説明した側面図である。
本実施例においては、サーボモータ群に含まれる異なる各サーボモータ本体１９２、１９４、１９６の取付寸法に合わせたモータフランジ１２２、１２４、１２６を有しており、各サーボモータ１９２、１９４、１９６の回転軸の長さが異なっている。したがって、モータフランジ１２２、１２４、１２６のフランジ厚みＴ１、Ｔ２、Ｔ３を各サーボモータの回転軸の長さに対応させることによって、回転軸１１０とねじ軸１７０との軸面間距離Ｇ（図２参照）をサーボモータ群に含まれるすべてのサーボモータ１９２、１９４、１９６に対して一定とすることができる。

また、本実施例においては、前述したようにサーボモータ群に含まれる各サーボモータとモータフランジとの取合部の形状が一致しているが、採用するサーボモータに応じてモータフランジの取合部の形状、すなわち取付孔ピッチ寸法及び取り合い角寸法を変えることによって、より多種類のサーボモータに対応させることができる。
例えば、図１０（ａ）に示すようにサーボモータ２９０の取り合い角寸法Ｌ１が、カップリングケース１３０の開口部寸法Ｃ１とほぼ等しい場合、すなわち、Ｌ１≒Ｃ１の場合、モータフランジ２２０は、カップリングケース１３０と係合する面に係合段部２２０ａを有するとともに、中心に回転軸１７０を挿通する軸穴２２０ｂを有し、さらにサーボモータ２９０の鍔部２９０ａに穿孔された取付孔に挿通したボルト２９０ｂと螺合する位置にねじ穴２２０ｃを有した略四角柱形状を有している。
一方、図１０（ｂ）に示すようにサーボモータ３９０の取り合い角寸法Ｌ２が、カップリングケース１３０の開口部寸法Ｃ２より大きい場合、すなわち、Ｌ２＞Ｃ２の場合、モータフランジ３２０は、カップリングケース１３０と係合する面に係合段部３２０ａを有するとともに、中心に回転軸１７０を挿通する軸穴３２０ｂを有し、さらにサーボモータ３９０の鍔部３９０ａに穿孔された取付孔に挿通したボルト３９０ｂと螺合する位置にねじ穴３２０ｃを有した略四角錐形状を有している。

さらに、ねじ軸１７０の強度を決定するサイズとそのねじ軸１７０を軸支するベアリング１６０のサイズが、サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータ１９０のトルクに耐え得る大きさ以上に設定されている。このようにすることによって出力側のねじ軸１７０及びベアリング１６０の許容強度が入力側に接続されるサーボモータ群に含まれる各サーボモータ１９０のトルクより大きくすることができ、ねじ軸１７０及びベアリング１６０をサーボモータ群に含まれるサーボモータ毎に変更する必要がなく、各サーボモータに対して共通して用いることができる。

また、ねじ軸１７０は、図２に示すように、ナット１７２と螺合しボールねじを構成しているねじ部１７０ｄと、このねじ部１７０ｄから延設された一端に位置しねじ軸１７０において最小径で螺刻されておらずカップリング１３２に締結される締結部１７０ａと、この締結部１７０ａより太く螺刻されておらず２つのベアリング１６０によって軸支される軸支部１７０ｃと、この軸支部１７０ｃとねじ部１７０ｄとの間に設けられねじ部１７０ｄより太く螺刻されておらずねじ軸１７０がモータ方向に抜けるのを防止するカラー部１７０ｅと、締結部１７０ａと軸支部１７０ｃの間に設けられ螺刻されている支持部１７０ｂとを有している。そして、ねじ軸１７０が他端方向、すなわちロッド１７４（図１参照）方向に抜けるのを防止するために、支持部１７０ｂに止めナット１４０が螺合している。すなわち、ベアリング１６０に対して、止めナット１４０とカラー部１７０ｅで予圧を与えている。
この止めナット１４０は、図４及び図５に示すようにベアハウジング１５０側に環状凸部１４０ａを有するとともに、カップリング１３２側が六角ナット１４０ｂ形状となっている。そして、図２に示すように、環状凸部１４０ａの外周にオイルシール１５２が装着されているとともに、このオイルシール１５２を内装して支持するシールカバー１５６がベアハウジング１５０に固設されている。
このオイルシール１５２は、金属環とゴムからなる断面コの字形状をしており、このコの字形状の下辺を形成するリップ部と呼ばれる部分が止めナット１４０の環状凸部１４０ａの外周に押し付けられることによって、ねじ軸１７０のねじ部１７０ｄに給油したグリース及びベアリング１６０のグリースが、サーボモータ側に浸入することを防いでいる。

なお、止めナットは、図４及び図５に示したような形状に限られることなく、例えば、図６及び図７に示したようにベアハウジング１５０側に環状凸部１４２ａを有するとともに、カップリング１３２側が２面カット１４２ｂされた形状の止めナット１４２を用いることもできるし、図８及び図９に示したようにベアハウジング１５０側に環状凸部１４４ａを有するとともに、カップリング１３２側がＤカット１４４ｂされた形状の止めナット１４４を用いることもできる。さらに、図示はされていないが、カップリング１３２側の形状が、六角形以外の多角形である止めナットを用いることもできる。

本発明のサーボモータ付き直線作動機は、さまざまな出力容量とサイズを有する複数のサーボモータに対して、モータフランジを変えるだけで直線作動機の他の構成部材を変更することなく対応できるので、在庫として保有する部品点数を削減することができるとともに、ロッドの進退方向を垂直方向や傾斜方向とした場合であってもグリースがサーボモータ側に垂れてくることが防止されるなど、その効果は甚大である。

本実施例のサーボモータ付き直線作動機の全体を示した側面図。 図１に示したサーボモータ付き直線作動機の主要部の断面図。 本実施例の直線作動機に３種類のサーボモータを取り付けたときの外観を示した側面図。 本実施例の直線作動機に組み込まれる止めナットの断面図。 図４に示した止めナットをＶ−Ｖ線方向から見たときの正面図。 本実施例の直線作動機に組み込まれる別の形状の止めナットの断面図。 図６に示した止めナットをＶＩＩ−ＶＩＩ線方向から見たときの正面図。 本実施例の直線作動機に組み込まれる止めナットの断面図。 図８に示した止めナットをＩＸ−ＩＸ線方向から見たときの正面図。 本発明のサーボモータ付き直線作動機に用いられるモータフランジの側面図。

１００ ・・・ サーボモータ付き直線作動機
１１０ ・・・ 回転軸
１２０、１２２、１２４、１２６、２２０、３２０ ・・・ モータフランジ
１３０ ・・・ カップリングケース
１３２ ・・・ カップリング
１４０、１４２、１４４ ・・・ 止めナット
１５０ ・・・ ベアハウジング
１５０ａ ・・・ （ベアハウジングの）マウント部
１５２ ・・・ オイルシール
１５４ ・・・ シールカバー
１５６ ・・・ ストッパプレート
１６０ ・・・ ベアリング
１７０ ・・・ ねじ軸
１７０ａ ・・・ （ねじ軸の）締結部
１７０ｂ ・・・ （ねじ軸の）支持部
１７０ｃ ・・・ （ねじ軸の）軸支部
１７０ｄ ・・・ （ねじ軸の）ねじ部
１７０ｅ ・・・ （ねじ軸の）カラー部
１７２ ・・・ ナット
１７４ ・・・ ロッド
１７８ ・・・ 先端金具
１８０ ・・・ フレーム
１９０、１９２、１９４、１９６、２９０、３９０ ・・・ サーボモータ
Ｌ１、Ｌ２ ・・・ サーボモータの取り合い角寸法
Ｃ１、Ｃ２ ・・・ カップリングケースの開口部寸法

Claims (1)

1. 出力容量とサイズの異なる複数のサーボモータ群から選ばれた１つのサーボモータと、該サーボモータの回転軸と嵌着するカップリングと、該カップリングを覆うカップリングケースと、該カップリングケースと前記サーボモータの回転軸を有する面との間に装着されるモータフランジと、前記カップリングを介して前記回転軸に連結されるねじ軸と、該ねじ軸を軸支するベアリングが内装されたベアハウジングと、該ベアハウジングと前記カップリングとの間において前記ねじ軸に螺合する止めナットを有するサーボモータ付き直線作動機であって、
   前記カップリングケースが、前記サーボモータ群に含まれる最小サイズのサーボモータに適合する形状を有し、
   前記カップリングが、前記サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータに適合し、且つ、前記カップリングのハブ許容最大軸穴径が、前記サーボモータ群に含まれるサーボモータの最大軸径よりも大きく、
   前記モータフランジが、前記サーボモータ群に含まれるそれぞれのサーボモータの出力容量とサイズに対応する取合部とフランジ厚みを有する予め用意された複数のものの中から選ばれ、
   前記ねじ軸及び前記ベアリングのサイズが、前記サーボモータ群に含まれる最大容量のサーボモータに適合しており、
   前記止めナットが、前記ベアハウジング側に環状凸部を有し、前記環状凸部の外周にオイルシールが装着されているとともに、前記オイルシールを内装して支持するシールカバーが前記ベアハウジングに固設されており、
   前記ベアリングが、テーパベアリングを２つ離間して配設したものからなることを特徴とするサーボモータ付き直線作動機。

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