JP6335754B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータに関するものであり、特に部品組み立て用のロボットなどに取り付けられるリニアアクチュエータに関する。

従来より、ロボットの先端部に、エンドエフェクタを取付けて部品組み立てなどの各種作業が行なわれているが、エンドエフェクタを駆動するアクチュエータとして固定部に対して可動部が直動自在なリニアアクチュエータが用いられる場合もある。
このリニアアクチュエータには、減速器を持たずに可動部を直接駆動する、いわゆる「ダイレクトドライブアクチュエータ」が用いられている。
ダイレクトドライブアクチュエータは、高速かつ高精度な動作制御が可能であり、ロボットと連動することにより作業範囲を拡大することができる反面、小型化や高出力化が難しい課題がある。また、ロボットの先端部に取り付けることができる重量は限られているため、小型かつ高出力で、発熱の少ないアクチュエータが求められている。

ダイレクトドライブアクチュエータの１つに、ネオジム磁石などの永久磁石が作る強力な磁界の中をコイルのみが往復運動するボイスコイルモータ（Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｍｏｔｏｒ，ＶＣＭ）がある。ボイスコイルモータは、可動部を軽量に設計できる反面、ダイレクトドライブモータであるため体積当たりの出力が低く発熱しやすい課題がある。また、可動部に取り付けたハンドなどのエンドエフェクタに熱が直接伝わり、エンドエフェクタが高温になる課題がある。

これに対し、特許文献１のボイスコイルモータは、固定子にエアー注入機構を配置している。電機子コイルをエアー冷却することで、モータ体格を変更せずに特性を向上させている。

また、特許文献２のリニアモータは、複数のボイスコイル型リニアモータユニットを並設している。この構造により、体積増加を抑えつつ高出力化を図るとともに、可動部と固定部を熱的に分離している。

特開２００４−３２８８８９号公報 特許第３６８３１９９号明細書

特許文献１のボイスコイルモータは、電機子コイルを冷却する構造を有しているものの、発生した熱を放熱する構造については開示されていない。
また可動部に設置された電機子コイルを直接エアーで冷却しているため、可動部の推力に影響を及ぼす。

また、特許文献２のリニアモータは、２本の内ヨークを並設して、互いに隣接する外ヨークを用いて主磁路を形成しているため、１本の内ヨークを用いたリニアモータに対して幅が２倍になる。さらに、２本の内ヨークを有底箱状の固定台に収容し、固定台の開口部に設けたスライダによって外ヨークを直動自在に支持する構造（いわゆる「外軸受構造」）を採用している。この構造では、リニアモータを十分に小型化することができない課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、小型かつ高効率で、温度上昇を抑えたアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明のアクチュエータは、筒状の外ヨークに挿通された棒状の内ヨークと、外ヨークを内ヨークの軸方向に沿って直動自在に支持する支持部材と、内ヨークに巻回されたコイルと、外ヨークの内周部にコイルと対向するように設けた磁石と、内ヨークの端部に設けた板状のベースプレートと、ベースプレートに当接した放熱部材と、内ヨークの軸心に沿う中空の軸受部と、を具備し、支持部材は、軸受部に挿通され、内ヨークに対して直動自在に支持されたシャフトと、シャフトの一端部に嵌合され、かつ外ヨークの一端部に当接した第１ブリッジ部と、シャフトの他端部に嵌合され、かつ外ヨークの他端部に当接した第２ブリッジ部と、を具備するものである。

本発明によれば、小型かつ高効率で、温度上昇を抑えたアクチュエータを得ることができる。

本発明の実施の形態１のアクチュエータの分解斜視図である。 本発明の実施の形態１のアクチュエータの斜視図である。 図２に示すアクチュエータのＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ面に沿う断面図である。 本発明の実施の形態１の固定部の斜視図である。 本発明の実施の形態１の可動部の斜視図である。 本発明の実施の形態１のアクチュエータの保護カバーを含む斜視図である。 本発明の実施の形態１のアクチュエータの保護カバーを含む斜視図である。 図８（ａ）は、本発明の実施の形態１のアクチュエータの軸方向の位置座標に対する磁束密度の大きさを示す特性図である。図８（ｂ）は、本発明の実施の形態１のアクチュエータの磁束密度の分布を示す説明図である。 本発明の実施の形態１のアクチュエータの放熱経路を示す説明図である。 本発明の実施の形態１のアクチュエータのマグネットクランプの動作を示す説明図である。 本発明の実施の形態２のアクチュエータの斜視図である。 図１１に示すアクチュエータのＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ面に沿う断面図である。 本発明の実施の形態２のアクチュエータの放熱経路及び冷却動作を示す説明図である。

実施の形態１．
図１〜図７を参照して、本発明の実施の形態１のアクチュエータについて説明する。
図中、１はセンターヨーク（内ヨーク）である。センターヨーク１は、略棒状の磁性体により構成されている。

センターヨーク１には、互いの間に間隙を設けて第１コイル２及び第２コイル３が巻回されている。第１コイル２及び第２コイル３は、図示しない電流源に対して直列又は並列に接続されており、互いに逆向きの電流が流れるようになっている。

第１コイル２と第２コイル３間の間隙には、第３コイル４が巻回されている。第３コイル４は、図示しない切替制御部を介して電流源に接続されており、第１コイル２及び第２コイル３とは独立して、流れる電流の向きを切替自在になっている。

センターヨーク１の軸心に沿って、中空の軸受部５が形成されている。軸受部５の両端部には、軸受部材６ａ，６ｂがそれぞれ挿通されている。軸受部材６ａ，６ｂの中空部には、センターヨーク１よりも細長いシャフト７が挿通されている。シャフト７は、センターヨーク１に対して軸方向に直動自在に、かつ軸を中心に回動自在もしくは回動しない様に支持されている。

ここで、軸受部材６ａ，６ｂは、回動自在とする場合はボールブッシュなどで構成し、回動しない様にするためにはスプラインナットなどで構成する。センターヨーク１とシャフト７間は、軸受部材６ａ，６ｂが有するベアリングによって熱的に分離されている。

シャフト７の一端部には、トップブリッジ（第１ブリッジ部）８が嵌合され、かつ固定されている。シャフト７の他端部には、ボトムブリッジ（第２ブリッジ部）９が嵌合され、かつ固定されている。トップブリッジ８及びボトムブリッジ９は、略十字状の本体部８１，９１の先端部から、互いの対向方向に延伸された４本の腕部８２，９２を有している。シャフト７、トップブリッジ８及びボトムブリッジ９によって、いわゆる「中軸受構造」の支持部材が構成されている。

トップブリッジ８の腕部８２の先端部とボトムブリッジ９の腕部９２の先端部との間に、アウターヨーク（外ヨーク）１０が固定されている。すなわち、アウターヨーク１０は、センターヨーク１に対して直動自在、かつ回動自在もしくは回動しない様に支持されている。アウターヨーク１０は、略筒状の磁性体により構成されている。

なお、本体部８１，９１の形状は十字状に限定されるものではなく、腕部８２，９２の本数は４本に限定されるものではない。トップブリッジ８及びボトムブリッジ９は、アウターヨーク１０を少なくとも直動自在に支持するものであれば、任意の形状のものを用いて良い。

アウターヨーク１０の一端部の内周部には、全周に亘って第１マグネットアレイ（磁石）１１が設けられている。第１マグネットアレイ１１は、複数個の永久磁石により構成されている。第１マグネットアレイ１１は、間隙を設けて第１コイル２と対向している。また、第１マグネットアレイ１１は、アウターヨーク１０の直動位置に応じて第３コイル４とも対向するようになっている。

アウターヨーク１０の他端部の内周部には、全周に亘って第２マグネットアレイ（磁石）１２が設けられている。第２マグネットアレイ１２は、複数個の永久磁石により構成されている。第２マグネットアレイ１２は、間隙を設けて第２コイル３と対向している。また、第２マグネットアレイ１２は、アウターヨーク１０の直動位置に応じて第３コイル４とも対向するようになっている。

ここで、第１マグネットアレイ１１と第２マグネットアレイ１２とは、互いに逆向きの磁極を有している。例えば、第１マグネットアレイ１１は、アウターヨーク１０との当接面側にＮ極があり、第１コイル２及び第３コイル４との対向面側にＳ極がある。一方、第２マグネットアレイ１２は、アウターヨーク１０との当接面側にＳ極があり、第２コイル３及び第３コイル４との対向面側にＮ極がある。

センターヨーク１の一端部には、鍔状のベースプレート１３が固定されている。ベースプレート１３には４つの貫通孔１３１が設けられており、ボトムブリッジ９の腕部９２のそれぞれが摺動自在に挿通している。

ベースプレート１３には、ボトムブリッジ９を覆うように、有底筒状の取付冶具１４が固定されている。取付冶具１４の底部１４１は、部品組み立て用のロボットの先端部などの外部装置に対して取付自在に形成されている。

ベースプレート１３には、センターヨーク１及びアウターヨーク１０の側周部を覆うように、略円筒状の保護カバー１５が取り付けられている。保護カバー１５の内周部と、センターヨーク１、アウターヨーク１０、トップブリッジ８及びボトムブリッジ９との間には間隙が設けられている。保護カバー１５の外周部には、複数の放熱フィン１５１が形成されている。取付冶具１４及び保護カバー１５によって、放熱部材が構成されている。

ベースプレート１３には、リング状の磁性体板１６が設けられている。磁性体板１６は、第２マグネットアレイ１２と対向配置されている。磁性体板１６は、アウターヨーク１０の直動によりベースプレート１３に当接した第２マグネットアレイ１２を磁力（引力）によって保持する、いわゆる「マグネットクランプ」の機能を果たすものである。

センターヨーク１、第１コイル２、第２コイル３、第３コイル４、軸受部材６ａ，６ｂ、ベースプレート１３、取付冶具１４、保護カバー１５及び磁性体板１６によって、固定部２００が構成されている。シャフト７、トップブリッジ８、ボトムブリッジ９、アウターヨーク１０、第１マグネットアレイ１１及び第２マグネットアレイ１２によって、可動部２０１が構成されている。固定部２００及び可動部２０１によって、アクチュエータ２０２が構成されている。

次に、図８を参照して、アクチュエータ２０２の磁束密度の分布について説明する。
図８（ａ）は、可動部２０１の軸方向の位置座標に対する、第１マグネットアレイ１１及び第２マグネットアレイ１２による磁束密度の大きさを示す特性図である。図８（ｂ）は、図２のＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ面に沿うアクチュエータ２０２の断面において、第１マグネットアレイ１１及び第２マグネットアレイ１２が形成する磁束φを示している。

図８（ｂ）に示す如く、第１マグネットアレイ１１及び第２マグネットアレイ１２が形成する磁束φは、アウターヨーク１０の全周と、センターヨーク１の内部とを通るループ状の磁束となる。

一般的なボイスコイルモータは、ループ状の磁束を形成するために、磁束を折返すためのヨーク（いわゆる「リターンヨーク」）をセンターヨーク１及びアウターヨーク１０とは別に設けている。実施の形態１のアクチュエータ２０２は、２つのモータを直列に接続した構造でありながら、センターヨーク１及びアウターヨーク１０で磁束を折返しているためリターンヨークを不要とすることができる。この構造により、アクチュエータ２０２を小型にすることができる。

また、アウターヨーク１０の両端部の全周に亘って第１マグネットアレイ１１及び第２マグネットアレイ１２を設けることで、アウターヨーク１０の全周を磁気回路に使用できるようになり、磁気抵抗が低くなる。このため、アウターヨーク１０の肉厚を薄くすることができ、アクチュエータ２０２を軽量にすることができる。

さらに、センターヨーク１の中心部は磁束密度が低いため、磁気回路の形成に寄与する割合が少ない。したがって、センターヨーク１の軸心に中空の軸受部５を設けても、アクチュエータ２０２の効率があまり低下しない。このため、シャフト７、トップブリッジ８及びボトムブリッジ９による中軸受構造を採用することで、固定台及びスライダによる外軸受構造を採用していた従来のリニアモータよりも、効率を落とすことなく小型にすることができる。

次に、図９を参照して、アクチュエータ２０２の放熱動作について説明する。
図示しない電流源が、第１コイル２、第２コイル３及び第３コイル４に電流を供給することで、固定部２００に対して可動部２０１が直動する。流れた電流に応じて、銅損により第１コイル２、第２コイル３及び第３コイル４が発熱する。
また交番磁界が発生するように第１コイル２、第２コイル３及び第３コイル４に電流を流すと鉄損でヨーク材自体も発熱する。
尚、リニアモータで加減速を頻繁に繰り返さない用途では鉄損に対し銅損が支配的であり、発生した熱は、センターヨーク１に伝わる。

このとき、センターヨーク１とシャフト７間は、軸受部材６ａ，６ｂのベアリングによって熱的に分離されている。すなわち、第１コイル２、第２コイル３及び第３コイル４を巻回した固定部２００と、図示しないエンドエフェクタを設けた可動部２０１とが熱的に分離されている。これにより、アクチュエータ可動部に設置されたエンドエフェクタなどが高温になるのを防ぐことができる。

また、センターヨーク１の熱容量は、第１コイル２、第２コイル３及び第３コイル４の発熱に対して十分に大きく設定されているため、特許文献１のように可動部である熱容量の小さいボビンにコイルを設置するアクチュエータと比較して、センターヨーク１の温度が短時間に急激に上昇することはない。
また特許文献１のアクチュエータは可動部に発熱源であるコイルが直接設置されているため、エアーによる強制空冷機構を使用しない限り放熱経路もエンドエフェクタを介しての自然空冷しかない。
一方、本願のアクチュエータにおいては第１コイル２、第２コイル３及び第３コイル４からセンターヨーク１に伝わった熱は、ベースプレート１３を介してさらに熱抵抗の低い取付冶具１４及び保護カバー１５に放熱される。これにより、大幅にアクチュエータ２０２の温度上昇上限値を抑制し、上限に達する時間、つまり熱時定数を長くすることができる。

次に、図１０を参照して、磁性体板１６によるマグネットクランプ動作について説明する。
図１０に示す如く、可動部２０１の直動により第２マグネットアレイ１２がベースプレート１３に対向配置されたリング状の磁性体板１６に近づくと、第２マグネットアレイ１２の側部から漏れた磁束によって、第２マグネットアレイ１２が磁性体板１６に引き寄せられる。第２マグネットアレイ１２が磁性体板１６に当接すると、磁性体板１６は磁力によって第２マグネットアレイ１２が当接した状態を保持する。

磁性体板１６を有しない従来のアクチュエータは、コイルに電流を流し続けることで、アウターヨーク１０がベースプレート１３に当接した状態（すなわち、可動部２０１がベースプレート１３側の端部まで移動した状態）を保持していた。このため、アクチュエータが下向きの状態においてエンドエフェクタで重量の大きいワークを把持する場合などコイルの発熱が大きくなっていた。

これに対し、実施の形態１のアクチュエータ２０２は、磁性体板１６と第２マグネットアレイ１２間の磁力（引力）によって、アウターヨーク１０がベースプレート１３に当接した状態を保持している。これにより、第１コイル２、第２コイル３及び第３コイル４に流す電流を低減もしくはゼロパワー化でき、第１コイル２、第２コイル３及び第３コイル４の発熱を抑制することができる。
尚、磁力によって第２マグネットアレイ１２が磁性体板１６に当接して保持されている状態を解除するためには最大電流を短い時間加えてやれば良い。
このことにより第２マグネットアレイ１２は最短時間で磁性体板１６から離脱する。
このとき第２マグネットアレイ１２と磁性体板１６の吸引力はその距離に応じて反比例し加速度的に減衰するので、図示していない位置センサにより移動距離を監視し吸引力の影響が無視できる位置（１ｍｍ程度）まで離れたら制御モードに切り換えれば良い。

以上のように、実施の形態１のアクチュエータ２０２は、筒状のアウターヨーク１０に挿通された棒状のセンターヨーク１と、アウターヨーク１０をセンターヨーク１の軸方向に沿って直動自在に支持する支持部材と、センターヨーク１に巻回された第１コイル２、第２コイル３及び第３コイル４と、アウターヨーク１０の内周部に第１コイル２、第２コイル３及び第３コイル４と対向するように設けた第１マグネットアレイ１１及び第２マグネットアレイ１２と、センターヨーク１の一端部に設けた板状のベースプレート１３と、ベースプレート１３に当接した放熱部材とを有している。これにより、中軸受構造を採用することで、小型かつ高効率なアクチュエータ２０２を実現しつつ、アクチュエータ２０２の温度上昇を抑制することができる。

また、アクチュエータ２０２は、軸受部５とシャフト７間に軸受部材６ａ，６ｂを介在させている。軸受部材６ａ，６ｂのベアリングにより軸受部５とシャフト７間を熱的に分離することで、エンドエフェクタが高温になるのを防ぐことができる。

また、アクチュエータ２０２は、放熱部材にセンターヨーク１及びアウターヨーク１０の側周部を覆う保護カバー１５を用いている。保護カバー１５の外周部に、複数の放熱フィン１５１を設けている。これにより、センターヨーク１からベースプレート１３に放熱された熱が、取付冶具１４を介してロボットなどの外部装置に伝わるのを低減することができる。

また、ベースプレート１３は、第２マグネットアレイ１２と対向配置された磁性体板１６を有している。磁性体板１６がマグネットクランプの機能を果たすことで、第１コイル２、第２コイル３及び第３コイル４に流す電流を低減して、第１コイル２、第２コイル３及び第３コイル４の発熱を抑制することができる。

また、支持部材は、アウターヨーク１０をセンターヨーク１の軸心に対して回動自在に支持している。これにより、小型かつ２自由度のアクチュエータ２０２を得ることができる。

実施の形態２．
図１１〜図１３を参照して、空冷用又は冷媒用の穴部を設けたアクチュエータについて説明する。なお、図１〜図７に示す実施の形態１のアクチュエータ２０２と同様の構成部材には同一符号を付して説明を省略する。

ベースプレート１３は、シャフト７の近傍に複数の貫通孔１７ａ，１７ｂを有している。センターヨーク１は、貫通孔１７ａ，１７ｂと連通する穴部１８を有している。穴部１８は、軸受部５の近傍に沿うように貫通孔１７ａ，１７ｂ間を繋いでおり、空気又は冷媒が流れるようになっている。このようにして、アクチュエータ２０３が構成されている。

次に、図１３を参照して、アクチュエータ２０３の冷却動作について説明する。
まず、ベースプレート１３の貫通孔１７ａに空気又は冷媒を注入する。空気又は冷媒は、センターヨーク１の穴部１８を通過して、貫通孔１７ｂから排出される。これにより、センターヨーク１を強制的に冷却する。

ここで、実施の形態１で説明したように、センターヨーク１の中心部は磁束密度が低いため、磁気回路の形成にあまり寄与しない。したがって、センターヨーク１の軸心の近傍に沿って穴部１８を設けても、アクチュエータ２０２の動作効率が大きく低下することはない。

また、センターヨーク１で冷却しきれなかった第１コイル２、第２コイル３及び第３コイル４の発熱は、ベースプレート１３を介して取付冶具１４及び保護カバー１５に放熱される。これにより、アクチュエータ２０２の温度上昇を抑制するとともに、エンドエフェクタが高温なるのを防ぐことができる。

以上のように、実施の形態２のアクチュエータ２０２は、センターヨーク１に、軸受部５の近傍に沿うように空冷用又は冷媒用の穴部１８を設けている。ベースプレート１３の貫通孔１７ａ，１７ｂから空気又は冷媒を注入及び排出することで、アクチュエータ２０２の動作効率を低下させずに温度上昇をさらに抑制して、エンドエフェクタが高温になるのを防ぐことができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ センターヨーク（内ヨーク）
２ 第１コイル
３ 第２コイル
４ 第３コイル
５ 軸受部
６ａ，６ｂ 軸受部材
７ シャフト
８ トップブリッジ（第１ブリッジ部）
９ ボトムブリッジ（第２ブリッジ部）
１０ アウターヨーク（外ヨーク）
１１ 第１マグネットアレイ（磁石）
１２ 第２マグネットアレイ（磁石）
１３ ベースプレート
１４ 取付冶具
１５ 保護カバー
１６ 磁性体板
１７ａ，１７ｂ 貫通孔
１８ 穴部
８１ 本体部
８２ 腕部
９１ 本体部
９２ 腕部
１３１ 貫通孔
１４１ 底部
１５１ 放熱フィン
２００ 固定部
２０１ 可動部
２０２，２０３ アクチュエータ

Claims (10)

1. 筒状の外ヨークに挿通された棒状の内ヨークと、
   前記外ヨークを前記内ヨークの軸方向に沿って直動自在に支持する支持部材と、
   前記内ヨークに巻回されたコイルと、
   前記外ヨークの内周部に前記コイルと対向するように設けた磁石と、
   前記内ヨークの一端部に設けた板状のベースプレートと、
   前記ベースプレートに当接した放熱部材と、
   前記内ヨークの軸心に沿う中空の軸受部と、を具備し、
   前記支持部材は、
   前記軸受部に挿通され、前記内ヨークに対して直動自在に支持されたシャフトと、
   前記シャフトの一端部に嵌合され、かつ前記外ヨークの一端部に当接した第１ブリッジ部と、
   前記シャフトの他端部に嵌合され、かつ前記外ヨークの他端部に当接した第２ブリッジ部と、を具備する
   ことを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記軸受部と前記シャフト間にベアリングを介在させたことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記放熱部材は、前記内ヨーク及び前記外ヨークの側周部を覆う保護カバーであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアクチュエータ。
4. 前記保護カバーは円筒状であり、
   前記保護カバーの内周部と前記内ヨーク及び前記外ヨークとの間に間隙を設け、
   前記保護カバーの外周部に複数の放熱フィンを設けた
   ことを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。
5. 前記放熱部材は、前記ベースプレートから前記内ヨークと逆向きに延伸され、かつ外部装置に取付自在な取付冶具であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアクチュエータ。
6. 前記取付冶具は、部品組み立て用のロボットに取付自在に形成されていることを特徴とする請求項５記載のアクチュエータ。
7. 前記ベースプレートは、前記磁石と対向配置された磁性体板を具備することを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載のアクチュエータ。
8. 前記磁石は前記外ヨークの内周部の全周に亘って設けられており、
   前記磁性体板はリング状である
   ことを特徴とする請求項７記載のアクチュエータ。
9. 前記内ヨークは、前記軸受部の近傍に沿うように空冷用又は冷媒用の穴部を具備することを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載のアクチュエータ。
10. 前記支持部材は、前記外ヨークを前記内ヨークの軸心に対して回動自在に支持することを特徴とする請求項１から請求項９のうちのいずれか１項記載のアクチュエータ。

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