JP5141652B2 - 直動回転アクチュエータ - Google Patents

Description

この発明は、直動と回転の自由度に比較して少ないアクチュエータ個数で、回転と直動の２つの動作を精密に行う直動回転アクチュエータに関するものである。

従来の直動回転アクチュエータは、例えば、電子部品実装装置の装着ヘッドに関するものがあり、１個のモータでボールねじを駆動して直動の位置決めを行い、もう１個の別のモータで回転を制御するように構成している(例えば特許文献１参照)。

また、他の構成として、リニアモータを並列配置して各軸の直動の位置決めは１軸あたり１個のモータで駆動するようにし、回転はベルト連結によって１個のモータで複数軸を駆動できるようにしている(例えば特許文献２参照)。

特開２００３−１７４２９０号公報（図１） 特開２００６−０６７７７１号公報（図６）

従来の直動回転アクチュエータは、１個の直動自由度に対してモータが少なくとも１個必要となるため、アクチュエータの並列数が増えるとモータ電力線やセンサの配線数が多くなり、組み立て性が悪くなる等の課題があった。

また、電子部品実装装置の装着ヘッドの用途では、上記の直動回転アクチュエータを並列に複数並べて前記の装着ヘッドを構成し、これをＸＹ移動装置で駆動するようにしている。このような用途では、ＸＹ移動装置の移動速度が生産性に大きく影響するため、ＸＹ移動装置に搭載する装着ヘッドはできるだけ軽量であることが好ましい。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、組み立て性のよい、軽量、コンパクトな直動回転アクチュエータを得ることを目的としている。

この発明に係る直動回転アクチュエータは、複数のモータと、ボールねじと、ボールスプラインと、歯付ベルトとプーリと、を備える直動回転アクチュエータにおいて、上記プーリを介して、上記歯付ベルトにより連結され、互いに左右対称である少なくとも１組のボールねじと、上記プーリを介して、上記歯付ベルトにより連結された少なくとも１組のボールスプラインと、上記プーリを介して、上記１組のボールねじのうち一方のボールねじと、上記複数のモータのうち一方のモータとを連結する上記歯付ベルトと、上記プーリを介して、上記ボールスプラインのうち一方のボールスプラインと、上記複数のモータのうち他方のモータとを連結する上記歯付ベルトと、上記１組のボールねじのうち、１つのボールねじと、上記１組のボールスプラインのうち、１つのボールスプラインとにより、一体で支持される直動軸と、を有するように構成したものである。

この発明によれば、歯付ベルト及びプーリで連結した１組の直動軸がモータの回転方向に対して、装着ヘッドの移動可能な方向であるＸＹ面に垂直な方向であるＺ方向に(あるいは図の上下方向に)逆動作するようにしたことにより、１組の直動軸を１個のモータでＺ方向に位置制御でき、直動軸の数に対してモータの数を減らすことができるため、組み立て性がよく、軽量でコンパクトな直動回転アクチュエータを得ることができるといった従来にない顕著な効果を奏するものである。

本発明の実施の形態１の直動回転アクチュエータを有するユニットを搭載したＸＹ移動装置を示す図である。 本発明の実施の形態１による直動回転アクチュエータの構成を示す図である。 本発明の実施の形態１による直動回転アクチュエータの軸の直動動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態１による直動回転アクチュエータの軸の直動動作を説明するための他の図である。 本発明の実施の形態１による直動回転アクチュエータの構成を示す別の図である。 本発明の実施の形態１の直動回転アクチュエータを複数並べたユニットを示す図である。 本発明の実施の形態１の直動回転アクチュエータを複数並べたユニットを搭載したＸＹ移動装置を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１の直動回転アクチュエータを有するユニット２３を搭載したＸＹ移動装置２９を示す図である。図において、Ｙ軸機構２８には、ユニット２３がフレーム２７に搭載されており、Ｙ軸直動機構（図示せず）によって、Ｙ軸機構２８をＹ軸方向に移動させることができる。また、架台２４に設置されたＸ軸直動機構２５、２６によって、Ｙ軸機構２８全体をＸ軸方向に移動することができる。なお図中の細い矢印は３次元の方向Ｘ、Ｙ、Ｚを規定したものであり、太い矢印については、Ｙ軸方向の太い矢印はユニット２３の移動可能な方向を、Ｘ軸方向の太い矢印はフレーム２７の移動可能な方向を示している。

また、図２は、本発明の実施の形態１による直動回転アクチュエータの構成を示す図である。直動回転アクチュエータ１は、左右ねじの向きは異なるが対称形状のボールねじ(以下では「左右対称なボールねじ」と呼ぶ)２、３とボールスプライン４、５とにより、各々一体に支持され、左右対称なボールねじの各ボールねじ、および各ボールスプラインと一体に連結された２つの直動軸６、７を有する。さらに、軸受８によって支持されたボールねじのナット９、１０が回転し、ボールねじのナット９、１０とボールねじ２、３とが相対的な回転運動することによって、直動軸６、７は図２の上下方向（Ｚ方向）に移動可能に構成されている。

上記において、ボールねじ２とボールねじ３は、それぞれ異なる向きにねじが切られている。ボールねじのナット９とボールねじのナット１０もそれぞれに組み合わせるボールねじ２、３のねじの向きにあわせて異なる向きにねじが切られているので、同一方向に回転させた場合に直動軸６、７は、逆方向に動作する(移動する)ようになっている。

また、ボールねじのナット９とボールねじのナット１０（の外周表面）には、ベルト伝達のための歯が切られている（図示せず）。ボールねじのナット９とボールねじのナット１０とを、歯付ベルト２２で連結し、歯付ベルト１１を介してボールねじのナット１０とプーリ１２とを連結している。ここで、直動軸６、７は各々、軸受８と軸受２１を介して、各々、ボールねじのナット９とボールねじのナット１０に支持されており、プーリ１２はモータ１３に直結しているので、モータ１３を回転させることで、直動軸６と直動軸７が、同一方向に同一回転速度で回転できるようにしている。

さらに、ボールスプラインのナット１４、１５（の外周表面）にも、ベルト伝達のための歯が切られている（図示せず）。ボールスプラインのナット１４とボールスプラインのナット１５は、歯付ベルト１６で連結され、歯付ベルト１７を介してボールスプラインのナット１５とプーリ１９とが連結されている。プーリ１９はモータ１８に直結しているので、モータ１８を回転させることで、ボールスプラインのナット１４、１５とが歯付ベルト１６で連結されていることにより、ボールスプラインのナットに取付けられた軸受を介して直動軸６と７とが同一方向に同一回転速度で回転できるようにされている。

このような構成にすれば、モータ１３とモータ１８の回転角度と回転角速度をそれぞれ独立に制御することで、直動軸６、７の上下方向位置は、例えば、モータ１３ １個で制御できる。また、モータ１８とモータ１３を同一方向に回転させれば、直動軸６、７の上下方向位置を変えずに、直動軸６、７の回転角度を制御できる。
図２のモータ１３、１８の軸上に示した矢印は各々のモータ軸（あるいは歯付ベルト）の回転方向の一例を示している。図のように回転させることで、直動軸６、７は上下方向の位置を保持したまま、直動軸６、７の軸上に示した矢印の向きに回転することができる。

また、図３、図４のように、モータ１８を静止させて(各図において、歯付ベルト１７の回転方向が記載されていない)、モータ１３を回転させる(各図において、モータ１３の回転による歯付ベルト１１の回転方向を示す矢印の記載がされている。)ことで、直動軸６、７を回転角度を保持したままで上下動させることができ、歯付ベルト１１の回転方向を、図３と図４に示すように互いに逆方向にすることにより、直動軸６、７を上下方向に互いに逆方向に移動させることができる。

また、モータ１３、モータ１８を、各々、独立に回転制御すれば、直動軸６、７の回転角度を変化させつつ、上下動させることができるので、図１〜図３に示したように、直動軸６、７の直動あるいは回転の動作を各々単独で行う場合に比べて位置決め時間の短縮が可能である。

このように、歯付ベルトおよびプーリで連結した１組の直動軸がモータの回転方向に対して上下逆動作するようにしたことにより、１組の直動軸を１個のモータで上下に位置制御できるので、直動軸の数に対してモータの数を減らすことができる。

また、上述のように、モータの数が減ることで、センサ配線、モータに電力を供給する電力線を減らすことができるので、構成が簡素となり、組み立て性のよい、軽量、コンパクトな直動回転アクチュエータを得ることができる利点がある。

また、ボールねじとボールスプラインで直動軸を支持することによって、直動案内機構を直動軸上に配置できるので、従来の直動アクチュエータに比べて、よりコンパクトに構成できる利点がある。

なお、以上においては、モータ１３とモータ１８が直動回転アクチュエータの１つの凹部に互いに近接して配置された場合を例に示したが、モータの取付け易さを考慮して、図５に示すように、一方のモータを凹部とは異なる別位置に配置しても、同様の効果が得れれることは、言うまでもない。

実施の形態２．
次に、実施の形態２について図６、図７を用いて説明する。
以上説明したように、従来は、モータ１軸をモータ２個で回転制御および直動制御していたが、本発明ではモータの数を減らしたこと、および直動案内機構を直動軸上に配置したことによって、図６に示したように、直動アクチュエータ６、７を複数個、並列配置したユニット２３として構成した場合でも、直動２軸をモータ２個で回転位置と直動位置を制御できるようにしても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらにモータを配置できる空間の余裕を増やすことができる。このように配置すれば、隣り合うモータの距離を大きく取れ、発熱の影響を受けにくくなる、といった別の効果も得られる。

また、実際の電子部品実装装置の装着ヘッドの用途では、図７のように、直動回転アクチュエータを並列に複数並べて装着ヘッドを構成し、これをＸＹ移動装置で駆動する場合が多い。このような用途では、ＸＹ移動装置の移動速度が生産性に大きく影響する。本発明においては、従来よりモータ数を減らすことができるため、ＸＹ移動装置に搭載する装着ヘッドを軽量にできることから、従来よりＸＹ移動装置の移動速度を速めることができるといった利点もある。

図７において、ＸＹ移動装置は、工作機械や電子部品実装装置の装着ヘッドでよく用いられるＸＹ移動装置の一般的な構成例を示している。直動アクチュエータを複数搭載したユニット２３をフレーム２７に搭載したＹ軸機構２８を有し、Ｙ軸直動機構（図示せず）によって、Ｙ軸機構２８をＹ軸方向に移動させることができる。Ｘ軸直動機構２５、２６によってＹ軸機構２８全体をＸ軸方向に移動させることができるようにしている。なお図中の各矢印の説明は、図１と同様であるので、ここでは詳細説明は省略する。

なお、図示しないが、直動回転アクチュエータを並列に複数並べて装着ヘッドを構成した場合でも、直動軸７にかけた歯付ベルト１７を複数軸にまたがせて連結することが可能であることは容易に想像できる。すなわち、図７に示したように、本構成を並列に並べた場合であっても、特許文献２の場合と同様に、モータの数を直動軸に対して大幅に減らすことができる。ここで、特許文献２では直動軸１個に対して直動用のモータが１個必要になるが、本発明では直動軸２個に対して直動用モータが１個でよい。

１ 直動回転アクチュエータ、２、３ ボールねじ、４、５ ボールスプライン、６、７ 直動軸、８、２１ 軸受、９、１０ ボールねじのナット、１１、１６、１７、２２ 歯付ベルト、１２、１９ プーリ、１３、１８ モータ、１４、１５ ボールスプラインのナット、２３ ユニット、２４ 架台、２５、２６ Ｘ軸直動機構、２７ フレーム、２８ Ｙ軸機構、２９ ＸＹ移動装置。

Claims (3)

1. 複数のモータと、ボールねじと、ボールスプラインと、歯付ベルトとプーリと、を備える直動回転アクチュエータにおいて、
   上記プーリを介して、上記歯付ベルトにより連結され、互いに左右対称である少なくとも１組のボールねじと、
   上記プーリを介して、上記歯付ベルトにより連結された少なくとも１組のボールスプラインと、
   上記プーリを介して、上記１組のボールねじのうち一方のボールねじと、上記複数のモータのうち一方のモータとを連結する上記歯付ベルトと、
   上記プーリを介して、上記１組のボールスプラインのうち一方のボールスプラインと、上記複数のモータのうち他方のモータとを連結する上記歯付ベルトと、
   上記１組のボールねじのうち、一方のボールねじと、上記１組のボールスプラインのうち、一方のボールスプラインとにより一体で支持される直動軸と、
   を有する直動回転アクチュエータ。
2. 前記一方のモータと他方のモータのうち、片方のモータの静止を含み、各モータを各々独立に回転制御することを特徴とする請求項１に記載の直動回転アクチュエータ。
3. 前記回転制御は、回転角度、回転角速度、回転方向の制御のうち、少なくとも１つの制御方法による制御であることを特徴とする請求項２に記載の直動回転アクチュエータ。

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