JPH04236158A - リニアアクチュエータ - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば産業用ロボット
のアーム等に適用されるリニアアクチュエータに係り、
特にモータ軸上で軸を直線運動、回転運動又はスパイラ
ル運動させることのできるリニアアクチュエータに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、直線・回転運動を行わす重荷重用
リニアアクチュエータの機構として筒状のボールスプラ
インナット及びボールネジナットとこれらナット内に貫
通されたボールネジ・ボールスプライン軸（以下、軸と
いう）とから構成されたボールネジ・スプラインが知ら
れている。このボールネジ・スプラインのスプライン機
構は、軸周面に軸方向に３条或いは６条のボールスプラ
イン溝が設けられる一方、ボールスプラインナットの内
周部軸方向に前記軸のボールスプライン溝に対向してボ
ール溝が形成され、これら両ボール溝によりボールの転
走路が形成されるとともに、ボール溝の両端がボールス
プラインナット内部に設けられたボールチューブで連結
され、該ボールチューブ及び前記ボール溝内に埋設され
たボールがそれぞれころがり運動するようになされてい
る。この構成によりボールネジ・スプラインは、前記ボ
ールスプラインナット内の各ボールが軸のボールスプラ
イン溝に面接触し、かつ、ころがり運動をするので、重
荷重においても軸或いはボールネジ・ボールスプライン
ナットを安定して直線走行させることが可能となってい
る。

【０００３】また、上記ボールネジ・スプラインのネジ
機構は、軸の周面に螺旋状にボール溝が穿設される一方
、ボールネジナット内周部に前記ボールネジ軸のボール
溝に対向して螺旋状にボール溝が穿設され、これら両ボ
ール溝によりボール転走路が形成されるとともに、ボー
ル溝の両端がボールネジナット内部に設けられたボール
チューブで連結され、該ボールチューブ及び前記ボール
溝内に埋設されたボールが無限ころがり運動するように
なされている。そして、軸の回転を規制した状態でボー
ルネジナットを回転させると、ボールが軸のボール溝を
押圧して軸を軸方向に直線運動させるので、重荷重にお
いても軸を安定して直線走行させることが可能となって
いる。

【０００４】また、ステッピングモータのロータ軸を回
転規制された軸に螺合させ、該ロータの回転力を軸方向
の直進力に変換して伝達することにより該軸をモータ軸
上で直線運動させるように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は、ステッピ
ングモータのロータ軸を中空軸で構成するとともに、該
ロータ軸内周面の一端側に雌ネジ（ナット）を連結し、
周面に雄ネジが形成されたネジ軸を前記ロータ軸のナッ
トに螺合させたものである。ステッピングモータのロー
タが回転することによりナットが一体回転し、これによ
りネジ軸が軸方向に力を受けて直進運動をするようにな
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記前者のリニアアク
チュエータは、実際にアクチュエータを構成する場合、
別途駆動モータを外部適所に設けなければならず、しか
も該駆動モータの回転力をナット部に伝達するための伝
達機構も必要となる。また、ボールネジナット又はボー
ルプラインナット側を運動させる場合は、例えばボール
ネジナット（又はボールプラインナット）の回転を規制
するとともに、軸方向運動をサポートするための補助軸
を駆動軸に並行して配設する等の回転止機構が必要とな
り、アクチュエータが大型化する欠点がある。

【０００６】また、上記後者のリニアアクチュエータは
、ステッピングモータのロータ軸にナットを連結し、該
ステッピングモータの駆動力によりモータ軸上でネジ軸
を直線運動可能にしているので、アクチュエータの小型
化は可能であるが、ロータ軸の一端側に連結されたナッ
トにより回転駆動が直線駆動に変換されているので、重
負荷や衝撃負荷に対する耐久性に問題があるとともに、
ネジ軸が十分にガイドされていないので、直線運動の安
定性にも問題がある。また、ネジ軸の回転を規制する部
材を該ネジ軸の一方端側に配設しなければならず、周辺
構造が複雑となる。

【０００７】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、内部にモータを内蔵して小形化を可能にするリ
ニアアクチュエータを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、周面
軸方向に螺旋状のボールネジ溝と複数条のボールスプラ
イン溝とがクロスして穿設された軸をモータ軸上で相対
的に直線運動させ得るリニアアクチュエータであって、
モータ外装に固定されたステータの内側に回転可能に支
持された円筒状のロータを有するモータ部と、前記ロー
タの内周側に該ロータと一体回転可能に設けられ、前記
ボールネジ溝と螺合して前記ロータの回転力を前記軸の
直進力に変換するボールネジナットと、前記モータ部の
少なくとも一方端側に前記モータ外装に回転不能に連結
され、前記ボールスプライン溝に係合して前記軸をスラ
イド可能に支持するボールスプラインナットとを備えた
ものである。

【０００９】また、請求項２の発明は、周面軸方向に螺
旋状のボールネジ溝と複数条のボールスプライン溝とが
クロスして穿設された軸をモータ軸上で相対的に直線、
回転及びスパイラル運動させ得るリニアアクチュエータ
であって、モータ外装に固定されたステータの内側に回
転可能に支持された円筒状のロータを有する第１のモー
タ部と、該第１のモータ部のロータの内周側に該ロータ
と一体回転可能に設けられ、前記ボールネジ溝と螺合し
て前記ロータの回転力を前記軸の直進力に変換するボー
ルネジナットと、前記第１のモータ部の一方端側に並設
され、モータ外装に固定されたステータの内側に回転可
能に支持された円筒状のロータを有する第２のモータ部
と、該第２のモータ部のロータの内周側に該ロータと一
体回転可能に設けられ、前記ボールスプライン溝と螺合
して前記ロータの回転を前記軸に伝達する第１のボール
スプラインナットと、前記第１のモータ部の他方端側で
あって、前記モータ外装に回転可能に連結され、前記ボ
ールスプライン溝に係合して前記軸をスライド可能に支
持する第２のボールスプラインナットとを備えたもので
ある。

【００１０】

【作用】請求項１記載の発明では、モータ部のボールネ
ジナットのボールを軸のボールネジ溝に係合させるとと
もに、ボールスプラインナットのボールを軸のボールネ
ジ溝に係合させるようにして軸がモータに取り付けられ
る。モータを駆動すると、円筒状のロータの内周側に設
けられたボールネジナットがロータと一体回転し、該ボ
ールネジナットの回転力がボールを介して軸方向の直進
力に変換されて軸に伝達される。一方、前記軸はモータ
外装に回転不能に連結されたボールスプラインナットに
より回転運動が規制される一方、軸方向にガイドされ、
モータ軸上を相対的に直線運動する。

【００１１】また、請求項２記載の発明では、第１のモ
ータ部のボールネジナットのボールを軸のボールネジ溝
に係合させるとともに、第２のモータ部の第１のボール
スプラインナット及び第２のボールスプラインナットの
ボールを軸のボールスプライン溝に係合させるようにし
て軸がモータに取り付けられ、軸は第２のボールスプラ
インナットにより回転可能かつ軸方向にスライド可能に
支持される。

【００１２】第１のモータ部を駆動すると、円筒状のロ
ータの内周側に設けられたボールネジナットがロータと
一体回転し、該ボールネジナットの回転力がボールを介
して軸方向の直進力に変換されて軸に伝達され、これに
より軸が軸方向に直線運動する。また、第２のモータ部
を駆動すると、円筒状のロータの内周側に設けられたボ
ールスプラインナットがロータと一体回転し、該ボール
スプラインナットの回転力がボールを介して軸に伝達さ
れ、これにより軸は第２のモータ部のロータに同期して
回転する。そして、前記直線運動と回転運動とを組み合
わせることにより軸のスパイラル運動が可能となる。

【００１３】

【実施例】本発明に係るリニアアクチュエータを図を用
いて説明する。図４は、本発明に係るリニアアクチュエ
ータの斜視図である。同図において、１はモータ本体、
２はボールネジ・ボールスプライン軸である。ボールネ
ジ・ボールスプライン軸２は中空の軸であって、空間部
分に制御線等の配線が可能となっている。また、ボール
ネジ・ボールスプライン軸２の外周面には軸方向に３条
のボールスプライン溝２ａと螺旋状のボールネジ溝２ｂ
とが相互にクロスして穿設されている。これらボールス
プライン溝２ａ及びボールネジ溝２ｂは、後述するボー
ルスプラインナット部及びボールネジナット部に埋設さ
れたボールの径と略同一の半円形状をなし、該ボールの
回転乃至転走路を構成するものである。

【００１４】モータ本体１は、モータ部１１とその両側
に連結して設けられたボールスプラインナット部１２，
１３とからなり、該モータ部１１の一方端部にはフラン
ジ１４が突設されている。また、前記モータ部１１は、
後述するようにロータ保持軸にボールネジナットが形成
され、該ボールネジナットと前記ボールスプラインナッ
ト部１２，１３とは、前記ボールネジ・ボールスプライ
ン軸２の外径と略同一の内径を有している。そして、前
記ボールネジ・ボールスプライン軸２は、これらボール
ネジナット及び前記ボールスプラインナット部１２，１
３により形成される孔１５を貫通させて取り付けられ、
モータ部１１のロータの回転により該モータ本体１の軸
Ｍ上を直線運動するようになされている。この駆動機構
については後述する。なお、前記ボールネジ・ボールス
プライン軸２を固定支持すれば、モータ部１１の駆動に
よりモータ本体１の直線運動が可能となる。

【００１５】図１は、本発明に係るリニアアクチュエー
タの内部構造を示す側断面図である。また、図２は図１
のＡ−Ａ線断面図を示し、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図
を示している。

【００１６】モータ部１１は、数値制御可能なモータ、
例えばステッピングモータから構成されている。ステッ
ピングモータのステータ１７は、モータ外装１６に固定
され、ロータは該モータ外装１６に軸受２１，２１′を
介して軸支されたロータ保持軸２２の外周部に設けられ
ている。前記ステータ１７は、図２に示すように周知の
積層ステータからなる１０極構造のステータであって、
各極先端のステータ歯１７ａは励磁コイル１８により磁
化されるようになっている。また、ロータ保持軸２２は
、周知の円筒状のボールネジナットからなり、該ボール
ネジナット２２の外周部に永久磁石２０及び鉄心１９ａ
，１９ｂ（図１参照）からなるロータが構成されている
。すなわち、軸方向に磁化された永久磁石２０がボール
ネジナット２２の外周部に固定され、更にその外周軸方
向に２個の鉄心１９ａ，１９ｂが並設されている。前記
ボールネジナット２２の内周部には前記ボールネジ・ボ
ールスプライン軸２のボールネジ溝２ｂと対向するよう
にボールネジ溝２２ａが螺旋状に穿設されている。また
、該ボールネジ溝２２ａの両端部はボールネジナット２
２肉厚内に穿設された不図示のボールチューブにより連
結されてボールの循環路が形成され、この循環路及び前
記ボールネジ溝２２ａ内にはボール２３が整列循環可能
に埋設されている。

【００１７】ボールスプラインナット部１２，１３には
、図３に示すようにボール保持部２４及び外筒２６から
なるボールスプラインナット２７が設けられ、該外筒２
６は回転止めキー２８によりモータ外装１６，１６′に
回転不能に固定されている。ボール保持部２４の内周部
には前記ボールネジ・ボールスプライン軸２のボールス
プライン溝２ｂと対向するようにボール転走溝２４ａが
軸方向に所定長分穿設され、該ボール転走溝２４ａの両
端部は前記ボール保持部２４の肉厚内に設けられたボー
ルチューブ２４ｂにより連結されてボール２５の循環転
走路が形成され、更にこの循環転走路内にボール２５が
整列循環可能に埋設されている。

【００１８】なお、前記ボール２５は、その半分以上が
ボール転走溝２４ａ側に埋設されているので、ボールネ
ジ・ボールスプライン軸２がモータ本体１から引き抜か
れてもボール保持部２４から脱落しないようになってい
る。

【００１９】上記構成において、例えばモータ本体１を
移動不能に支持し、モータ部１１をＲ方向に回転駆動さ
せると、ロータの回転によりボールネジナット２２が一
体回転する。ボールネジナット２２の回転力は、ボール
２３のころがり運動を介して軸方向に変換されてボール
ネジ・ボールスプライン軸２に伝達される。一方、ボー
ルネジ・ボールスプライン軸２は、モータ部１１の両側
部に設けられたボールスプラインナット部１２，１３よ
り回転不能かつ軸方向にスライド可能に支持されている
ので、モータ本体１の軸Ｍ上をＳ方向に直進運動するこ
ととなる。なお、モータ部１１をＲ方向と逆方向に回転
駆動させると、前記と逆の動作によりボールネジ・ボー
ルスプライン軸２は、モータ本体１の軸Ｍ上をＳ方向と
逆方向に直進運動する。

【００２０】上記実施例はボールネジ・ボールスプライ
ン軸２又はモータ本体１を軸方向に直線運動させるもの
であるが、２個のモータ部を設けることにより直線運動
、回転運動及びこれらを組み合わせたスパイラル運動を
行わせることができる。

【００２１】次に、この第２の実施例のリニアアクチュ
エータについて説明する。図５は、前記第２実施例に係
るリニアアクチュエータの斜視図である。本実施例のモ
ータ本体１′は、第１モータ部３０ａと第２モータ部３
０ｂとが並設されたモータ部３０と該モータ部３０に連
結して設けられたボールスプラインナット部３１とから
構成されている。

【００２２】図６は第２の実施例に係るリニアアクチュ
エータの内部構造を示す側断面図である。また、図７は
図６のＣ−Ｃ線断面図を示し、図８は図６のＤ−Ｄ線断
面図を示している。

【００２３】本実施例のリニアアクチュエータは、図４
のボールスプラインナット部１２に代えて第２モータ部
３０ｂを設けるとともに、ボールスプラインナット部１
３に代えて回転可能なボールスプラインナット２７を有
するボールスプラインナット部３１を設けたものである
。

【００２４】第２モータ部３０ｂは、図７に示すように
図１のロータ保持軸に相当する部分がボール保持部３５
及び外筒３７からなるボールスプラインナット３８で構
成された点を除いて第１モータ部３０ａと同一の構成で
モータ部３０内に設けられている。このボールスプライ
ンナット３８の構造は上記ボールスプラインナット部１
２，１３のボールスプラインナット２７と変わらないの
で説明は省略する。また、ボールスプラインナット部３
１は、図６に示すようにボールスプラインナット２７の
外筒２６が軸受３３，３３′を介して回転可能にモータ
外装３２′に取り付けられたものである。第１モータ部
３０ａ及びボールスプラインナット部３１の内部構造も
第１実施例のものと変わらないので説明を省略する。

【００２５】次に、本実施例のリニアアクチュエータに
より可能な動作について動作パターンに分けて説明する
。なお、説明の便宜上、ボールネジ・ボールスプライン
軸２を相対的に駆動させる場合について説明する。

【００２６】（１）軸の直線運動 第２モータ部３０ｂのロータが回転しないようにステー
タ１７を励磁状態のまま保持し、第１モータ部３０ａを
、例えばＲ方向に回転駆動させると、第２モータ部３０
ｂのボールスプラインナット３８は回転が抑止され、第
１モータ部３０ａのボールネジナット２２はロータと一
体にＲ方向に回転する。これにより前記ボールネジナッ
ト２２の回転力はボール２３のころがり運動により軸方
向に変換されてボールネジ・ボールスプライン軸２に伝
達され、ボールネジ・ボールスプライン軸２はモータ本
体１の軸Ｍ上をＳ方向に直線運動する。

【００２７】なお、前記第１モータ部３０ａをＲ方向と
逆方向に回転させると、前記と逆の動作によりボールネ
ジ・ボールスプライン軸２は、モータ本体１の軸Ｍ上を
Ｓ方向と逆方向に直線運動する。

【００２８】（２）軸の回転運動 第１及び第２モータ部３０ａ，３０ｂを同一回転数かつ
同一方向、例えばＲ方向に回転させると、第１モータ部
３０ａのボールネジナット２２及び第２モータ部３０ｂ
のボールスプラインナット３８は同一方向に同期して回
転する。

【００２９】第２モータ部３０ｂのボールスプラインナ
ット３８の回転力はボール３６及びボールスプライン溝
２ａを介してボールネジ・ボールスプライン軸２に伝達
される一方、ボールネジナット２２のボール２３の転走
方向とボールネジ・ボールスプライン軸２のボールネジ
溝２ｂの回転方向とは同一方向となり、ボールネジナッ
ト２２は空回りをするので、該ボールネジナット２２の
回転力はボールネジ・ボールスプライン軸２には伝達さ
れず、ボールネジ・ボールスプライン軸２はＲ方向の回
転運動のみ行う。また、ボールスプラインナット部３１
内のボールスプラインナット２７は、モータ本体１に回
動自在に設けられているので、ボールネジ・ボールスプ
ライン軸２と一体に回転運動を行う。

【００３０】なお、第１及び第２モータ部３０ａ，３０
ｂを同一回転数でＲ方向と逆方向に回転させることによ
りボールネジ・ボールスプライン軸２をＲ方向と逆方向
に回転させることができる。

【００３１】（３）スパイラル運動（回転を伴う直線運
動） 第１モータ部３０ａのロータが回転しないようにステー
タ１７を励磁状態のまま保持し、第２モータ部３０ｂを
、例えばＲ方向に回転させる。第２モータ部３０ｂのボ
ールスプラインナット３８はロータと一体にＲ方向に回
転し、これによりボールスプラインナット３８の回転力
はボール３６及びボールスプライン溝２ａを介してボー
ルネジ・ボールスプライン軸２に伝達され、ボールネジ
・ボールスプライン軸２は回転する。

【００３２】一方、第１モータ部３０ａのボールネジナ
ット２２は回転が抑止されているので、前記ボールネジ
・ボールスプライン軸２の回転力はボール２３のころが
り運動により軸方向に変換され、これにより該ボールネ
ジ・ボールスプライン軸２は回転しつつモータ本体１の
軸Ｍ上をＳ方向と逆方向に直線運動（スパイラル運動）
を行う。このとき、ボールスプラインナット部３１内の
ボールスプラインナット２７は、ボールネジ・ボールス
プライン軸２と一体に回転運動を行うとともに、該ボー
ルネジ・ボールスプライン軸２の直線運動をガイドする
。

【００３３】なお、前記第２モータ部３０ｂをＲ方向と
逆方向に回転させると、上記と逆の動作によりボールネ
ジ・ボールスプライン軸２は、モータ本体１の軸Ｍ上を
Ｓ方向にスパイラル運動を行う。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明では、モータのロータを円筒状に構成し、該ロータの
内周側にボールネジナットを設けてロータの回転力を軸
の軸方向の直進力に変換するとともに、前記モータ部の
少なくとも一方端側に回転不能にボールスプラインナッ
トを並設し、軸の直線運動をガイドするようにしたので
、荷重下において軸を相対的に直線運動を行わすリニア
アクチュエータの小形化を図ることができる。また、リ
ニアアクチュエータの構造が簡単になるので、その分組
立調整の簡素化及び製造コストの低減等を図ることがで
きる。

【００３５】また、請求項２記載の発明では、第１のモ
ータ部のロータを円筒状に構成し、該ロータの内周側に
ボールネジナットを設けてロータの回転力を軸の軸方向
の直進力に変換するとともに、該第１のモータ部の一方
端に並設された第２のモータ部のロータを円筒状に構成
し、該ロータの内周側にボールスプラインナットを設け
てロータの回転力を軸に伝達するようにし、更に前記第
１のモータ部の他方端に回転可能にボールスプラインナ
ットを連結して軸と一体回転しつつ該軸の直進運動をガ
イドするようにしたので、重荷重下において軸を相対的
に直線運動、回転運動及びスパイラル運動を行わすリニ
アアクチュエータの小形化を図ることができる。また、
リニアアクチュエータの構造が簡単になるので、その分
組立調整の簡素化及び製造コストの低減等を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るリニアアクチュエータの内部構造
を示す側断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図である。

【図４】本発明に係るリニアアクチュエータの斜視図で
ある。

【図５】第２の実施例に係るリニアアクチュエータの斜
視図である。

【図６】第２の実施例のモータ部の内部構造を示す側断
面図である。

【図７】図６のＣ−Ｃ線断面図である。

【図８】図６のＤ−Ｄ線断面図である。

【符号の説明】

１，１′　　モータ本体 ２　　ボールネジ・ボールスプライン軸２ａ　　ボール
スプライン溝 ２ｂ　　ボールネジ溝 １１，３０　　モータ部 １２，１３，３１　　ボールスプラインナット部１４　
　フランジ １５　　孔 １６，１６′，３２，３２′　　モータ外装１７　　ス
テータ １８　　励磁コイル １９ａ，１９ｂ　　鉄心 ２０　　永久磁石 ２１，２１′，３３，３３′，３４，３４′　　軸受２
２　　ロータ保持軸（ボールネジナット）２３，２５，
３６　　ボール ２４，３５　　ボール保持部 ２６，３７　　外筒 ２７，３８　　ボールスプラインナット２８　　回転止
めキー ３０ａ　　第１モータ部 ３０ｂ　　第２モータ部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　周面軸方向に螺旋状のボールネジ溝と
   複数条のボールスプライン溝とがクロスして穿設された
   軸をモータ軸上で相対的に直線運動させ得るリニアアク
   チュエータであって、モータ外装に固定されたステータ
   の内側に回転可能に支持された円筒状のロータを有する
   モータ部と、前記ロータの内周側に該ロータと一体回転
   可能に設けられ、前記ボールネジ溝と螺合して前記ロー
   タの回転力を前記軸の直進力に変換するボールネジナッ
   トと、前記モータ部の少なくとも一方端側に前記モータ
   外装に回転不能に連結され、前記ボールスプライン溝に
   係合して前記軸をスライド可能に支持するボールスプラ
   インナットとを備えたことを特徴とするリニアアクチュ
   エータ。
2. 【請求項２】　　周面軸方向に螺旋状のボールネジ溝と
   複数条のボールスプライン溝とがクロスして穿設された
   軸をモータ軸上で相対的に直線、回転及びスパイラル運
   動させ得るリニアアクチュエータであって、モータ外装
   に固定されたステータの内側に回転可能に支持された円
   筒状のロータを有する第１のモータ部と、該第１のモー
   タ部のロータの内周側に該ロータと一体回転可能に設け
   られ、前記ボールネジ溝と螺合して前記ロータの回転力
   を前記軸の直進力に変換するボールネジナットと、前記
   第１のモータ部の一方端側に並設され、モータ外装に固
   定されたステータの内側に回転可能に支持された円筒状
   のロータを有する第２のモータ部と、該第２のモータ部
   のロータの内周側に該ロータと一体回転可能に設けられ
   、前記ボールスプライン溝と螺合して前記ロータの回転
   を前記軸に伝達する第１のボールスプラインナットと、
   前記第１のモータ部の他方端側であって、前記モータ外
   装に回転可能に連結され、前記ボールスプライン溝に係
   合して前記軸をスライド可能に支持する第２のボールス
   プラインナットとを備えたことを特徴とするリニアアク
   チュエータ。