JP6136468B2 - アクチュエータとその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、様々な機械装置の動力源として用いられるアクチュエータとその制御方法に関する。

様々な機械装置の動力源には、その機械装置の用途に応じて適切な回転数の出力が必要とされる。このような動力源としてモータを用いる場合、所望の回転数を得ることが困難な場合がある。例えば、非常に小さな回転数の出力が必要とされる場合に、モータの回転数を遅くするために供給電力を小さくすると、回転数の低下と同時にトルクが低下し、動力源として十分な出力が得られなくなることがある。そこで、モータの駆動軸に減速機を取り付けた構成のアクチュエータを動力源として用いる場合がある。このアクチュエータは、減速機の減速比に応じた低回転数の出力を得ることができる。従って、所望の回転数を得るために、それに応じた減速比を有する減速機が選択されてモータの駆動軸に取り付けられる。

また、特許文献１には、１つのアクチュエータから回転数の異なる２つの出力を選択的に得るために、２つのモータを含む構成が開示されている。特許文献２には、２つのモータに連結され、第１のモータからの駆動力を受ける第１の入力部と第２のモータからの駆動力を受ける第２の入力部とを有する減速機が開示されている。特許文献３，４には、単一の動力源に複数の可変駆動システム（減速機構）が連結された構成が開示されている。

特公平２−４１１００号公報 特開２０１２−２１９８６５号公報 特開２００１−６３５２２号公報 特開２００３−２０７０２３号公報

回転数を遅くするために供給電力を小さくしても十分なトルクを得るためには、非常にパワーの大きい特別なモータを用いる必要があり、コストの増加を招く。また、モータの駆動軸に減速機が取り付けられている構成においてごく小さい回転数の出力を得るためには、減速比が非常に大きい特別な減速機が必要であり、そのような減速機は寸法が非常に大きいため、アクチュエータの大型化を招き、実用的でない。

特許文献１〜３に記載の構成によると、回転数の異なる２つの出力を選択的に得ることができるが、格別に小さい回転数の出力を得られるわけではない。さらに、特許文献１，２の構成では、複数のモータを用いるため構成の複雑化および高コスト化を招くという問題がある。特許文献４に記載の構成の第３の可変駆動装置では、第１の遊星歯車アセンブリと第２の遊星歯車アセンブリの両方に動力源が連結されるが、複数の出力を同時に得ることができるものの、格別に小さい回転数の出力を得られるわけではない。

そこで、本発明の目的は、微小な回転数の出力を低コストで容易に得ることができるとともに、トルクの大幅な低下や装置の大幅な大型化を招くことがない、高分解能のアクチュエータとその制御方法を提供することにある。

本発明のアクチュエータは、両側方に延びている駆動軸を有するモータと、モータの駆動軸の、一方の側方に延びている部分に取り付けられており、外装体と外方に延びている出力軸とを有する第１の減速機と、モータの駆動軸の、他方の側方に延びている部分に取り付けられており、第１の減速機の外装体に連結されている外装体と出力軸とを有し、第１の減速機と減速比が異なる第２の減速機と、第２の減速機の出力軸を回転不能に固定する固定機構とを含む。

本発明によると、コストの上昇や装置全体の大型化を抑え、かつエネルギー損失を小さく抑えつつ、極めて微小な回転数の出力を簡単な構成で容易に得ることができる。

本発明の第１の実施形態のアクチュエータを示す一部切欠斜視図である。 図１に示すアクチュエータの断面図である。 図１に示すアクチュエータの制御方法を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態のアクチュエータの変形例を示す一部切欠斜視図である。 図４に示すアクチュエータの断面図である。 本発明の第２の実施形態のアクチュエータを示す一部切欠斜視図である。 図６に示すアクチュエータの断面図である。 図６に示すアクチュエータの制御方法を示すフローチャートである。 図６に示すアクチュエータにより他の回転数の出力を得る状態を示す断面図である。 図６に示すアクチュエータにより他の回転数の出力を得る工程を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態のアクチュエータを示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１に本発明の第１の実施形態のアクチュエータの一部切欠斜視図、図２にその断面図を示している。このアクチュエータは単一の動力源であるモータ１を有し、モータ１は、外装体２と、その外装体２から両側方に延びる駆動軸３とを有している。モータ１は、外装体２の内部に固定子４と回転子５が収容され、回転子５と駆動軸３が一体化された一般的な構造を有している。本明細書では、便宜上、駆動軸３の、外装体２から一方の側方（図面右方）に延びている部分を駆動軸３Ａ、他方の側方（図面左方）に延びている部分を駆動軸３Ｂと称するが、図２に明示するように駆動軸３は連続した１本の軸である。そして、一方の側方に延びている駆動軸３Ａには第１の減速機６が取り付けられ、他方の側方に延びている駆動軸３Ｂには第２の減速機７が取り付けられている。さらに、本実施形態では、モータ１の外装体２と、第１の減速機６の外装体８と、第２の減速機７の外装体９とが連結されて一体化しており、不動の筐体１０の内部に収容されている。筐体１０は、中空体１０Ａに蓋部１０Ｂが取り付けられて、内部に外装体２，８，９を収容可能な空間を有している。

第１の減速機６の外装体８から延びている出力軸１１は、軸受１２に支持されて筐体１０の外部に突出している。第２の減速機７の外装体９から延びている出力軸１３は、筐体１０の軸支持部１０Ｃに回転不能に固定されている。すなわち、本実施形態では、筐体１０の軸支持部１０Ｃが、出力軸１３を回転不能に固定する固定機構として機能する。第１の減速機６および第２の減速機７はいずれも、出力軸１１，１３が外装体８，９に対して相対的に回転する構成である。

そして、第１の減速機６の減速比と第２の減速機７の減速比は異なっており、好ましくは両減速機６，７の減速比は近い。例えば、第１の減速機６の減速比は１／９９であり、第２の減速機７の減速比は１／１００である。この構成によると高分解能のアクチュエータが実現でき、すなわち、格別に小さな回転数の出力を得ることができる。このように高分解能である本実施形態のアクチュエータの制御方法について、図３のフローチャートを参照しつつ以下に説明する。

本実施形態では、筐体１０が固定された状態（Ｓ１）でモータ１を駆動し（Ｓ２）、それにより駆動軸３が回転する（図２の矢印Ａ）。このとき、駆動軸３に連結されている第２の減速機７の出力軸１３に回転トルクが伝達されるが（Ｓ３）、この出力軸１３は不動の筐体１０に固定されているので回転できない。第２の減速機７は、出力軸１３が外装体９に対して相対的に回転する構成であるため、回転トルクが伝達されて出力軸１３が回転できない状態では、外装体９の方が回転する。すなわち、第２の減速機７の外装体９が、駆動軸３の回転と反対方向（逆方向）に回転する（Ｓ４、矢印Ｂ）。モータ１の外装体２と第１の減速機６の外装体８と第２の減速機７の外装体９とは連結されて一体化しているため、３つの外装体２，８，９が一体的に回転し（Ｓ５、矢印Ｂ）、このときの外装体２，８，９の回転数は、モータの回転数を１とすると、第２の減速機７の減速比に従って１／１００である。なお、減速機の一般的な構造により、第２の減速機７の出力軸１３は回転しなくてもモータ１の駆動軸３は回転する。そして、この駆動軸３は第１の減速機６に連結されているため、第１の減速機６の出力軸１１は、駆動軸３の回転（矢印Ａ）と同じ方向（正方向）に、第１の減速機６の減速比に従って１／９９の回転数で回転する（Ｓ６、矢印Ｃ）。すなわち、筐体１０の内部において、第１の減速機６の外装体８が逆方向に１／１００の回転数で回転し、その外装体８の内部において出力軸１１は正方向に１／９９の回転数で回転する。第１の減速機６は、出力軸１１が外装体８に対して相対的に回転する構成であるため、不動の筐体１０から見ると、見かけ上、出力軸１１は、（１／９９）−（１／１００）＝１／９９００の回転数で正方向に回転する（Ｓ７）。すなわち、このアクチュエータによると、第１の減速機の外装体８と出力軸１１の回転方向の違いと回転数の差により、１／９９００という、従来は困難であった格別に小さな回転数の出力（微動）を容易に得ることができる。しかも、モータ１自体の回転数は低下させておらず、モータに供給する電力は低下させていないので、十分に大きなトルクが得られる。

この例から明らかなように、本発明では、極めて減速比の大きい特別な減速機や極めてパワーの大きい特別なモータを用いることなく、従来から一般的に用いられている比較的低コストで小型のモータ１および減速機６，７を用いて、それらの減速機６，７の減速比の差に相当する減速比の回転出力を得ることができる。

仮に、モータ１の駆動軸３に複数の減速機６，７を直列に連結した場合、それらの減速機６，７の減速比を乗じた大きさの減速比の回転出力を得ることができるが、減速機６，７を経由する毎に、各減速機６，７のがたつき（バックラッシュ等）によってトルクの損失が生じるため、最終的に得られる回転出力には複数の減速機６，７を経由した分だけ大きな損失が生じ、エネルギー効率が非常に悪い。しかし、本実施形態では、モータ１の駆動軸３の両側方にそれぞれ１つずつ減速機６，７が取り付けられており、複数の減速機６，７が直列に連結された構成ではない。従って、各減速機６，７のそれぞれのトルクの損失が重なり合うことはなく、１個の減速機を用いた場合と同程度の小さなトルク損失で、通常は１個の減速機では困難であった微動（非常に小さな回転数）を実現することができる。しかも、１つの減速機が単体で非常に大きな減速比を持つ必要は無いため、各減速機６，７は比較的小型で簡単な構成でよく、アクチュエータ全体は、出力軸１１の方向には長くなるもののそれ以外の方向には大型化することなく比較的簡単な構成である。

以上説明したとおり、微動のために必要なのは、第１の減速機６の外装体８の回転と出力軸１１の回転の回転方向が互いに反対であり、回転数が僅かに異なることである（仮に、回転数が一致していると、見かけ上、出力軸１１は筐体１０に対して静止する）。そのために本実施形態では、第２の減速機７の外装体９を逆回転させ、それと一体的にモータ１の外装体２と第１の減速機６の外装体８も逆回転するようにしている。モータ１の外装体２は、第１の減速機６の外装体８と第２の減速機７の外装体９の両方に、直接または間接的に連結されている。

図４，５には、本実施形態の変形例を示している。この変形例では、第２の減速機７の外装体９から延びている出力軸１３は、筐体１０の内部においてフランジ１４に固定されており、このフランジ１４が筐体１０の内壁面に固定されている。すなわち、軸支持部１０Ｃの代わりに設けられたフランジ１４が、出力軸１３を筐体１０に回転不能に固定する固定機構として機能する。その他の構成は、図１，２に示すアクチュエータと同様であるため説明を省略する。そして、この変形例のアクチュエータによると、前記したのと同様な制御方法（図３参照）によって格別に小さな回転数の出力（微動）を容易に得ることができるなど、前記したのと同様な効果が得られるとともに、出力軸１３を筐体１０に回転不能に固定する信頼性が向上する。

次に、図６〜１０を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。図６に本実施形態のアクチュエータの一部切欠斜視図、図７にその断面図を示している。本実施形態のアクチュエータでは、第２の減速機７の外装体９から延びている出力軸１３は、筐体１０の内部においてフランジ１４に固定されており、フランジ１４は、電磁クラッチ１５によって、筐体１０の内壁面に固定された固定状態と固定されていない解放状態とを切り替え可能である。すなわち、フランジ１４およびクラッチ（電磁クラッチ１５）によって固定機構が構成されている。また、モータ１の外装体２と筐体１０の内壁面との間にもう１つのクラッチ（もう１つの電磁クラッチ）１６が設けられている。モータ１の外装体２と第１の減速機６の外装体８と第２の減速機７の外装体９は前記したように連結されて一体になって、もう１つの電磁クラッチ１６により、筐体１０の内壁面に固定された固定状態と固定されていない解放状態とを切り替え可能である。その他の構成は、第１の実施形態のアクチュエータと同様であるため説明を省略する。

本実施形態のアクチュエータの制御方法について以下に説明する。格別に小さな回転数（微動）を得る場合には、図８のフローチャートに示すように、筐体１０が固定された状態（Ｓ１）で、電磁クラッチ１５によりフランジ１４を筐体１０の内壁面に固定された固定状態にする（Ｓ８）とともに、もう１つの電磁クラッチ１６によりモータ１の外装体２を筐体１０の内壁面に固定されない解放状態（非固定状態）にする（Ｓ９）。この状態で、第１の実施形態と同様に、モータ１を駆動すると（Ｓ２）、駆動軸３が回転する。（図７の矢印Ａ）。このとき、駆動軸３に連結されている第２の減速機７の出力軸１３に回転トルクが伝達されるが（Ｓ３）、この出力軸１３に固定されているフランジ１４が、電磁クラッチ１５によって、不動の筐体１０の内壁面に固定されているので、出力軸１３は回転せず、外装体９の方が回転する。すなわち、第２の減速機７の外装体９が、駆動軸３の回転と反対方向（逆方向）に回転し（Ｓ４、矢印Ｂ）、モータ１の外装体２と第１の減速機６の外装体８も第２の減速機７の外装体９と一体的に回転する（Ｓ５、矢印Ｂ）。このときの外装体２，８，９の回転数は、モータの回転数を１とすると、第２の減速機７の減速比に従って１／１００である。一方、第１の減速機６の出力軸１１は、駆動軸３の回転（矢印Ａ）と同じ方向（正方向）に、第１の減速機６の減速比に従って１／９９の回転数で回転する（Ｓ６、矢印Ｃ）。筐体１０の内部において、第１の減速機６の外装体８が逆方向に１／１００の回転数で回転し、その外装体８の内部において出力軸１１は正方向に１／９９の回転数で回転するため、不動の筐体１０から見ると、見かけ上、出力軸１１は、（１／９９）−（１／１００）＝１／９９００の回転数で正方向に回転する（Ｓ７）。このように、本実施形態でも、格別に小さな回転数の出力（微動）を容易に得ることができるとともに、十分に大きなトルクが得られるなど、前記した第１の実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、本実施形態では、前記したように微小な回転数の出力（微動）を得られるだけでなく、それよりも大きい回転数の出力（粗動）を選択的に得ることもできる。その場合、図９，１０に示すように、筐体１０が固定された状態（Ｓ１）で、電磁クラッチ１５によりフランジ１４を筐体１０の内壁面に固定されない非固定状態（解放状態）に切り替える（Ｓ１０）。それとともに、もう１つの電磁クラッチ１６によりモータ１の外装体２を筐体１０の内壁面に固定された固定状態に切り替える（Ｓ１１）。この状態でモータ１を駆動すると（Ｓ２）、駆動軸３が回転する（図９の矢印Ａ）。このとき、駆動軸３に連結されている第２の減速機７の出力軸１３が、第２の減速機７の減速比で、駆動軸３の回転と同じ方向（正方向）に回転する（Ｓ１２）。この出力軸１３に固定されているフランジ１４は不動の筐体１０に固定されていないので、出力軸１３とフランジ１４が一体的に回転するが（矢印Ｄ）、この出力軸１３およびフランジ１４はモータ１の駆動軸３以外の部材には連結されていないので、これらの回転は空回り（空転）である（Ｓ１３）。この状態では、モータ１の外装体２と第１の減速機６の外装体８と第２の減速機７の外装体９は一体化して、不動の筐体１０に固定されているため、筐体１０の内部において、第１の減速機６の外装体８は不動であって出力軸１１のみが正方向に１／９９の回転数で回転する（Ｓ１４、矢印Ｃ）。すなわち、一般的な減速機の機能に従って、出力軸１１から１／９９の回転数の出力が得られる。

前記した微動と粗動の両方を可能にするためには、第１の減速機６の外装体８が、第２の減速機７の外装体９と一体的に逆回転する状態と、筐体１０に固定された状態とを切り替え可能であることが必要である。本実施形態では、そのために、フランジ１４および電磁クラッチ１５からなる固定機構と、もう１つの電磁クラッチ１６とを用いている。このように、本実施形態では、２つの電磁クラッチ１５，１６を用いるごく簡単な構成および方法によって、回転数の異なる２種類の出力（微動と粗動）を得ることが、容易かつ低コストで実現する。

さらに、図１１に示す本発明の第３の実施形態のアクチュエータでは、第２の減速機７の出力軸１３が、フランジ１４に固定されるとともに、電磁クラッチ１５および筐体１０を貫通して外方に延びている。この構成によると、筐体１０の外部において出力軸１３が他部材に連結されると、図９，１０と同様にフランジ１４が筐体１０の内壁面に固定されない非固定状態であって、モータ１の外装体２が筐体１０の内壁面に固定された固定状態であるときに、モータ１が駆動されることによる第２の減速機７の出力軸１３の回転（矢印Ｅ）が、空回りではなく他部材の駆動に利用できる。すなわち、本実施形態では、フランジ１４が筐体１０の内壁面に固定されモータ１の外装体２が筐体１０の内壁面に固定されていない状態での、第１の減速機６の出力軸１１の正回転とその外装体８の逆回転による微動（微小回転数の出力）と、フランジ１４が筐体１０の内壁面に固定されずモータ１の外装体２が筐体１０の内壁面に固定された状態での、第１の減速機６の出力軸１１の正回転による粗動、および第２の減速機７の出力軸１３の正回転による粗動との、３種類の回転数の出力を得ることができる。

本発明のアクチュエータでは、一般的な範囲の減速比を有する減速機の中から、組み合わせることによってごく小さい所望の回転数となる減速比をそれぞれ有する複数の減速機６，７を選択して用いればよい。特に、第２〜３の実施形態のように電磁クラッチ１５，１６等のクラッチを利用して、回転数の異なる複数の出力を得る場合には、減速機６，７の減速比の差と、個々の減速機６，７の減速比が、それぞれ所望の回転数に対応するように、各減速機６，７が選択される。

なお、前記した各実施形態では、モータ１の一方の側方の駆動軸３Ａと、他方の側方の駆動軸３Ｂにそれぞれ１つずつ減速機６，７が連結されているが、駆動軸３Ａまたは３Ｂに、あるいはその両方に、複数の減速機を直列に連結してもよい。その場合、エネルギーの損失が生じるが、より微小な回転数の出力（微動）を得ることが実現する。

第１の実施形態のように粗動を必要としない場合には、もう１つの電磁クラッチ１６は不要であり、第２の減速機７の出力軸１３を筐体１０に固定する固定機構があればよく、この固定機構は、軸支持部１０Ｃやフランジ１４や電磁クラッチ１５に限定されず、その他の様々な機構であってよい。

また、第２〜３の実施形態のように、モータ１の外装体２と第１の減速機６の外装体８と第２の減速機７の外装体９の少なくとも１つを筐体１０に固定するための機構を設ける場合、その固定のための機構は電磁クラッチ１６に限定されず、その他の様々な機構であってよい。

１ モータ
２ モータの外装体
３ 駆動軸
３Ａ 駆動軸の一方の側方に延びている部分
３Ｂ 駆動軸の他方の側方に延びている部分
４ 固定子
５ 回転子
６ 第１の減速機
７ 第２の減速機
８ 第１の減速機の外装体
９ 第２の減速機の外装体
１０ 筐体
１０Ａ 中空体
１０Ｂ 蓋部
１０Ｃ 軸支持部（固定機構）
１１ 第１の減速機の出力軸
１２ 軸受
１３ 第２の減速機の出力軸
１４ フランジ（固定機構）
１５ クラッチ（固定機構、電磁クラッチ）
１６ もう１つのクラッチ（もう１つの電磁クラッチ）

Claims (12)

1. 両側方に延びている駆動軸を有するモータと、前記モータの前記駆動軸の、一方の側方に延びている部分に取り付けられており、外装体と外方に延びている出力軸とを有する第１の減速機と、前記モータの前記駆動軸の、他方の側方に延びている部分に取り付けられており、前記第１の減速機の前記外装体に連結されている外装体と出力軸とを有し、前記第１の減速機と減速比が異なる第２の減速機と、前記第２の減速機の出力軸を回転不能に固定する固定機構とを含むアクチュエータ。
2. 前記第１の減速機および前記第２の減速機はいずれも、前記出力軸が前記外装体に対して相対的に回転する構成である、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記モータと前記第１の減速機の前記外装体と前記第２の減速機の前記外装体とを収容している不動の筐体をさらに含み、前記固定機構は前記第２の減速機の前記出力軸を前記筐体に固定する、請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記固定機構は、前記第２の減速機の前記出力軸の前記筐体への固定状態と非固定状態とを切り替え可能なクラッチを含む、請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記第１の減速機の前記外装体の、前記筐体への直接または間接的な固定状態と非固定状態とを切り替え可能なもう１つのクラッチを含む、請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 前記もう１つのクラッチは、前記クラッチが前記第２の減速機の前記出力軸を前記筐体への固定状態に保っているときに、前記第１の減速機の前記外装体を前記筐体への非固定状態にして、前記クラッチが前記第２の減速機の前記出力軸を前記筐体への非固定状態に保っているときに、前記第１の減速機の前記外装体を前記筐体への直接または間接的な固定状態にする、請求項５に記載のアクチュエータ。
7. 前記モータの外装体と前記第１の減速機の前記外装体と前記第２の減速機の前記外装体とは互いに直接または間接的に連結されている、請求項６に記載のアクチュエータ。
8. 両側方に延びている駆動軸を有するモータと、前記モータの前記駆動軸の、一方の側方に延びている部分に取り付けられている第１の減速機と、前記モータの前記駆動軸の、他方の側方に延びている部分に取り付けられており、前記第１の減速機と減速比が異なる第２の減速機と、を有するアクチュエータの制御方法であって、
   前記第２の減速機の出力軸を回転不能に固定した状態で、前記モータを駆動して、前記第１の減速機の出力軸を該第１の減速機の減速比で回転させるとともに、前記第２の減速機の外装体と該第２の減速機の外装体に連結されている前記第１の減速機の外装体を、前記第１の減速機の前記出力軸の回転と反対の方向に前記第２の減速機の減速比で回転させる、アクチュエータの制御方法。
9. 前記第２の減速機の前記出力軸の固定は、前記モータと前記第１の減速機の前記外装体と前記第２の減速機の前記外装体とを収容している不動の筐体に前記出力軸を固定することによって行う、請求項８に記載のアクチュエータの制御方法。
10. 前記第２の減速機の前記出力軸の固定を解除するとともに、前記第１の減速機の前記外装体を回転不能に固定した状態で、前記モータを駆動して、前記第１の減速機の前記出力軸を該第１の減速機の減速比で回転させることを含む、請求項８または９に記載のアクチュエータの制御方法。
11. クラッチによって、前記第２の減速機の前記出力軸の固定状態と非固定状態との切換を行うとともに、もう１つのクラッチによって、前記第１の減速機の前記外装体の固定状態と非固定状態とを切り替えを行う、請求項１０に記載のアクチュエータの制御方法。
12. 前記クラッチが前記第２の減速機の前記出力軸を固定状態に保っているときに、前記もう１つのクラッチによって前記第１の減速機の前記外装体を非固定状態にして、前記クラッチが前記第２の減速機の前記出力軸を非固定状態に保っているときに、前記もう１つのクラッチによって前記第１の減速機の前記外装体を固定状態にする、請求項１１に記載のアクチュエータの制御方法。

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