JPH01311844A

JPH01311844A - リニアアクチュエータ

Info

Publication number: JPH01311844A
Application number: JP63141138A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Machida; 町田　和雄; Hideo Tsuchiya; 英雄土屋
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1988-06-08
Filing date: 1988-06-08
Publication date: 1989-12-15
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: JP2659998B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明はロボットなどを直動運動させる駆動源として用
いられるリニアアクチュエータに関する。

（従来の技術）ロボットなどに使用されている電気式アクチュエータの
うち、直動運動を得るリニアアクチュエータとしては、
例えばねじを切ったねじ軸とナツトとを組合せたボール
ねじを構成要素とする機構が知られている。

従来の一般的なリニアアクチュエータは、第３図に示す
ように、ねじ軸８の周囲にボール９を介してナツト１０
を噛合させた構造のボールねじを用い、ねじ軸８を軸受
３０で軸支し、ナツトｌＯを回り止めし、ねじ軸８の一
端にモータ３】を設けてねじ軸８を回転させることによ
り、ナツトｌＯに連結された負荷２１を直動運動させる
ものである。

しかし、このようなねじ軸回転形のリニアアクチュエー
タでは、ボールねじの一端にモータ３１などの駆動部分
を配置するスペースが必要となるため、特に長さ方向に
小形化するには限界がある。

そこで、例えば特開昭６０−９３４２号公報に記載され
ているように、ねじ軸の外周にモータを配置し、ナツト
を回転させてこれに噛合したねじ軸を送りだして、油圧
又は空気圧シリンダの直動運動を模擬したリニアアクチ
ュエータが知られている。このリニアアクチュエータに
ついて第４図を参照して説明する。

第４図において、フレーム１には第１の軸受２及び第２
の軸受３を介して、中空構造のロータシャフト４の一端
側にボールねじ（ねじ１ｌｌｌ　８、ボール９、ナツト
１０）のナラ）１０が一体的に結合され、かつねじ軸８
がロータシャフト４内に挿入された状態で軸支されてい
る。ここで、第１の軸受２は軸方向及び軸直角方向の負
荷を受けることかできる例えばアンギュラコンタクト形
のものを組合せたものであり、ナツト１０の周囲に設け
られている。

また、第２の軸受３は通常の軸受であり、ロータシャフ
ト４の端部の周囲に設けられている。ねじ軸８はこれと
一体のボールスプライン軸部８ａにおいてその外周に設
けられた外筒４０が、フレーム１、に固定されたハウジ
ング４１に回り止めキー４２を介して固定されることに
より回り止めされている。

上記ロータシャフト４の外周にはロータ４３が取付けら
れ、これに対応してフレーム１には永久磁石４４及びヨ
ーク４５が取付けられている。上記ロータ４３には電源
４６からブラシ４７及び整流器４８を介して駆動電流が
通電される。

このようなナツト回転形のリニアアクチュエータでは、
ねじ軸１の端部にモータなどの駆動機構を設けなくても
よいという点で軸方向の小形化が期待できるが、更に小
形化することが要望されている。しかも、ブレ−キ手段
を持たない場合、任意の位置に停止した後、外乱によっ
て停止位置が変動するため、常にモータによる位置決め
制御を行わなければならないという問題があり、通常は
ブレーキ手段が設けられる。また、モータの速度制御及
び位置制御を行うために、通常は回転検出センサが設け
られる。したがって、ブレーキ手段や回転検出センサを
設けることを考慮すると、より一層の小形化を図る必要
がある。

また、第４図図示のリニアアクチュエータでは、ロータ
シャフト４、ロータ４３、ナツトｌＯ及び軸受２．３が
一体化・固定されているため、メンテナンスのためには
ボールねじ部分だけを取外せることが望ましいにもかか
わらず、他の部分も分解しなければならない。

（発明が解決しようとする課題）本発明は上記課題を解決するためになされたものであり
、特に軸方向に小形化でき、かつメンテナンスのために
ボールねじ部分を容易に着脱できるリニアアクチュエー
タを提供することを目的とする。

［発明の構成コ（課題を解決するための手段）本発明のリニアアクチュエータは、軸受により回転自在
に軸支された中空構造のロータシャフト、該ロータシャ
フトに取付けられたｒ７−タ及びこれに対応する固定子
を有するモータと、上記ロータシャフトに結合されたナ
ツト、ボール及びねじ軸を有するボールねじと、可動部
材及び電磁的機構を有し上記ロータシャフトの回転を拘
束する電磁ブレーキとを具備し、ボールねじのナツトを
回転させたときのねじ軸の直動変位を出力として得るリ
ニアアクチュエータにおいて、上記ボールねじのナツト
をロータシャフトの中空部に嵌合させ、ナツトの外周に
対応する位置にモータのロータ及び固定子を配置すると
ともに、上記ロータシャフトを軸支する軸受のうち軸方
向及び軸直角方向の負荷を同時に受ける軸受の外周に電
磁ブレーキの電磁的機構を配置したことを特徴とするも
のである。

（作用）このようなリニアアクチュエータによれば、ボールねじ
のナツトの外周にロータシャフトを介してロータ及び固
定子が配置され、かつロータシャフトを軸支する軸受の
うち軸方向及び軸直角方向の負荷を同時に受ける軸受の
外周に電磁プレーキの電磁的機構が配置されており、軸
方向に沿って多くの部材を配置した構造をとっていない
ので、軸方向に小形化することができる。また、ボール
ねじを構成するナツトをシャフトに嵌合しているので、
メンテナンスのためにボールねじ部分のみを容易に着脱
・交換することができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例に係るリニアアクチュエータ
の構成図である。このリニアアクチュエータは、モータ
として永久磁石回転界磁形ブラシレスＤＣモータを、ブ
レーキとして電磁ディスクブレーキをそれぞれ用いたも
のである。

第１図において、アクチュエータフレーム１には第１の
軸受２及び第２の軸受３を介して中空のロータシャフト
４が軸支されている。第１の軸受２は、軸方向及び軸直
角方向の負荷を同時に受けられるように複数個のアンギ
ュラコンタクト形の軸受を正面又は背面合せで組合せた
ものである。

また、第２の軸受３は通常の深溝形のものである。

このロータシャフト４の外周にはロータ５が取付けられ
、その周面に永久磁石６が取付けられている。一方、フ
レーム１には、ロータ５周面の永久磁石６に近接するよ
うに、モータステータ７が取付けられている。このモー
タステータ７はサーボコントローラ２０に接続されてい
る。

上記ロータシャフト４の中空部には、ねじ軸８及びこの
ねじ軸８にボール９を介して噛合するナツト１０からな
るボールねじのナツト１０が嵌合されている。このねじ
軸８はナツト１０の回転による摩擦で自転しないように
、図示しないリニアベアリングなどの他の手段で回り止
めされている。このような構成により、ナツト１０の外
周にロータシャフト４を介してロータ５、永久磁石６及
びモータステータ７が配置されている。このモータでは
、トルク発生部分までの半径が大きいので同じ発生電磁
力で発生トルクが大きくなる。

上記ロータシャフト４の第１の軸受２側の外周には、中
空構造の回転ディスク１１が回転方向のトルクを伝え軸
方向の摺動には自由度を有する例えばスプライン軸受な
どの機構で取付けられており、ロータ５との間に復元ば
ね１２が設けられている。

一方、フレーム１には回転ディスク１１に対向し、かつ
第１の軸受２の外周に対応する位置に電磁石１３が取付
けられている。このブレーキでは回転ディスク１１の摺
動面１１ａまでの半径が大きいので、ブレーキ押付は力
が同じでもブレーキトルクが大きくなる。

上記ロータシャフト４の第２の軸受３側の外周には中空
構造の回転スリット１４が取付けられ、フレーム１には
これに対応して光学式エンコーダ１５が取付けられ、回
転検出センサを構成している。

この光学式エンコーダ１５はサーボコントローラ２０に
接続されている。

このような構成のリニアアクチュエータの動作について
説明する。すなわち、サーボコントローラ２０からモー
タステータフに駆動電流が通電されると、ロータ５、ロ
ータシャフト４及びナツトｌＯが正逆に回転し、自転を
拘束されているねじ軸８が直動運動してその一端に連結
された負荷ｏｔ−駆動させる。ローラシャフト４の回転
は光学式エンコーダ１５によって検出され、回転方向と
回転速度に応じたセンサ信号がサーボコントローラ２０
に入力され、これに基づいて駆動電流が制御されるので
、サーボアクチュエータとして直動運動の正逆方向の速
度制御及び位置制御が可能になる。また、ブレーキに関
しては、電磁石１３を励磁していないときは、回転ディ
スク１１は復元ばね１２によって引張られ、回転ディス
ク１１の摺動面１１ａとフレーム１に設けられた固定側
摺動面１ａとが離れた位置に保持されるのでブレーキは
働かない。一方、電磁石１３を励磁すると電磁吸引力に
より回転ディスク１１が軸方向に吸引されてその摺動面
１１ａが固定側摺動面１ａに押付けられ、回転ディスク
１１の回転が拘束されるのでブレーキとして機能する。

このようなリニアアクチュエータによれば、ボールねじ
を構成するナツト１０の外周にロータシャフト４を介し
てモータの構成部材であるロータ５、永久磁石６及びモ
ータステータ７を配置しているので、アクチュエータの
軸方向の長さを短くできる。同様に、ロータシャフト４
を軸支する第１の軸受２の外周に対応する位置にブ１ノ
ーキを構成する電磁石１３を配置ｌ−でいるので、アク
チュエー　夕の軸方向の長さを短（できる。また、ボー
ルねじを構成するナツト１０をロータシャフト４に嵌合
しているので、アクヂコエータ本体を分解することなく
、ボールねじ部分のみを容易に着脱１７、交換すること
ができる。

また、上記実施例で使用されているブレーキでは、回転
ディスク１１に軸方向から押付り力を作用させでそれに
よる摩擦をｆｔＪ用１７ている。こうｌ、たブ１ノーギ
では、拘束・解放に伴う動作距離が少ないほど開閉動作
が速く、開閉に必要なエネルギも少なくてすむので、短
い動作圧ばを常時１保゛できることが望まｔ−、い。し
かるに、リニアアクチュエータでは直動運動に伴い軸方
向に働く力が存在１２、し２かもロータシャフト４とフ
レーム１とで材質の線膨張係数が累、なると広い温度範
囲では軸方向の膨張差が生１”］る。Ｊのため、ロータ
シャフト４に取付けられる回転ディスク１１の摺動面１
１ａと固定側摺動面１ａとのギャップが狭くなって接触
したり、逆にギャップが広くなって回転拘束時に十分な
押イ４け力が得られずブレーキ力が確保できなくなるお
それがある。これに対して、第１図に示すようにロータ
シャフト４の定位置を確保１．得るアンギコラコンタク
ト形の第１の軸受２の近傍に回転ディスク１１を配置す
れば、回転ディスク１１の定位置を確保するのに有利に
なる。

第２図は本発明の他の実施例に係るリニア７′クチユエ
ータの構成図である。このリニアアクチコ、エータは、
ロー・タシャフトの回転を拘束するプレー４−として、
供給されている電力が遮断されたときに回転を拘束する
負作動形のディスクブレーキを用いたものである。第２
図は第１図とほぼ同様な構成を有するので、第１図と同
一部材には同一番号を伺１７で説明を省略し、第１図と
異なる構成について詳細に説明する。

第２図において、ロータシャフト４の第１の軸受２側の
外周には、中空構造の回転ディスク１１が回転方向のト
ルクを伝え軸方向の摺動には自由度を有する例えばスプ
ライン軸受などの機構で取イτ１けられており、ロータ
５との間に復元ばね１２が設けられている。この回転デ
ィスクｌｌの一方の面はフレーム］に設けられた固定側
摺動面１ａに対向し、他方の面はリング状の可動鉄片１
Ｂに対向し、可動鉄片１６とフレ・−ム１との間にはブ
レーキ押イ４けばね１７が設けられている。また、可動
鉄片１６近傍のフレーム１には電磁石１３が取付けられ
でいる。

なお、第２図では、第１図の場合と異なり、中空構造の
回転スリット１４及、びこれに対応する光学式エンコー
ダ１５も第１の軸受２側に取付けられている。

第２図図示のリニアアクチュエータでは、電磁石１３に
通電Ｉ７て励磁すると可動鉄片１８が引例けられ、回転
ディスク１１は復元ばね１２の働きで自由に回転できる
位置まで軸方向に動き、ブレーキは解放される。一方、
電磁石１３が励磁されないどきにはブレーキ押付けばね
１７の力で可動鉄１１１６か押され、回転ディスク１■
の摺動面１１ａが固定側摺動面】ａに押付けられ、摩擦
力により回転ディスク１１の回転が拘束される。

第２図図示のリニアアクチュエータでも第１図図示のも
のと同様な効果が得られることは勿論である。更に、第
２図図示のリニアアクチュエータでは、停電時などの非
常時にフェイルセーフを実現できる。すなわち、本発明
で対象どなっているリニア７′クチユエータを重力に垂
直な方向に直動運動させる用途に適用し、使用中に停電
が起きた場合、ボールねじのバックドライブ効率がよい
と、負荷の自重でボールねじが逆駆動してナツトが回転
１２、ねじ軸の位置が変動してしまうことがある。

そして、第１図で使用されているような通常のブレーキ
は、電流を通電して回転を拘束するものであるため、停
電時には回転を拘束できず、垂直な方向の直動運動を得
る用途では危険である。これに対１．て、第２図のよう
に負作動形のブｌノ−キを用いた場合、停電時には上述
したように回転を拘束するので、フェイルセーフを実現
できる。

また、ブレーキの場合と同様に、回転検出センサについ
ても可動部分と固定部分とのギャップが変化すると、セ
ンサの検出性能に問題が生じることがあるが、第２図に
示すようにロータシャフト４の定位置を確保し得るアン
ギュラコンタクト形の第１の軸受２の近傍に回転検出セ
ンサを配置すれば、上述したギャップを確保するにも有
利になる。

なお、以上ではモータとしてブラシレスＤＣモータを用
いた場合について説明したが、ステッピングモータや、
−膜内なブラシを有するいわゆるＤＣモータなどを用い
てもよいことは勿論である。

ただし、上記実施例のようにブラシレスＤＣモータを用
いれば、ブラシ交換のメンテナンスや電磁ノイズの低減
に有利であり、発熱源となる電機子巻線がステータ側に
なるので放熱の点でも有利である。また、以上では回転
検出センサとして回転スリット及び光学式エンコーダか
らなるものを用いたが、その構造は中空構造であればド
ラム形、ディスク形など他の構造でもよく、検出方式も
光学式に限らず磁気式、接触式など他の方式も使用可能
である。

［発明の効果］以上詳述したように本発明のリニアアクチュエータによ
れば、ストロークが同じであっても軸方向の長さを短縮
して小形化・軽量化することができ、メンテナンスのた
めにアクチュエータ本体を分解することなくボールねじ
部分のみを着脱・交換することができるなど顕著な効果
を、奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるリニアアクチュエー
タの構成図、第２図は本発明の他の実施例におけるリニ
アアクチュエータの構成図、第３図は従来のねじ軸回転
形のリニアアクチュエータの構成図、第４図は従来のナ
ツト回転形のリニアアクチュエータの構成図である。１・・・アクチュエータフレーム、２・・・第１の軸受
、３・・・第２の軸受、４・・・ロータシャフト、５・
・・ロータ、６・・・永久磁石、７・・・モータステー
タ、８・・・ねじ軸、９・・・ボール、１０・・・ナツ
ト、１１・・・回転ディスク、１３・・・復元ばね、１
３・・・電磁石、１４・・・回転スリット、１５・・・
光学式エンコーダ、１６・・・可動鉄片、１７・・・ブ
レーキ押付けばね、２０・・・サーボコントローラ、２
１・・・負荷。出願人復代理人　　弁理士　鈴江武彦 −：ト第３図ノ第４図２電ｑ−

Claims

【特許請求の範囲】

軸受により回転自在に軸支された中空構造のロータシャ
フト、該ロータシャフトに取付けられたロータ及びこれ
に対応する固定子を有するモータと、上記ロータシャフ
トに結合されたナット、ボール及びねじ軸を有するボー
ルねじと、可動部材及び電磁的機構を有し上記ロータシ
ャフトの回転を拘束する電磁ブレーキとを具備し、ボー
ルねじのナットを回転させたときのねじ軸の直動変位を
出力として得るリニアアクチュエータにおいて、上記ボ
ールねじのナットをロータシャフトの中空部に嵌合させ
、ナットの外周に対応する位置にモータのロータ及び固
定子を配置するとともに、上記ロータシャフトを軸支す
る軸受のうち軸方向及び軸直角方向の負荷を同時に受け
る軸受の外周に電磁ブレーキの電磁的機構を配置したこ
とを特徴とするリニアアクチュエータ。