JPWO2007088691A1 - 中空モータ駆動装置 - Google Patents

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Abstract

中空モータ駆動装置10は、外周面に螺旋状のねじ溝12aが形成されるねじ軸12と、ねじ溝12aに螺合するナット部材13と、内周側にナット部材13が固定設置されるとともに外周側に永久磁石23が設置される中空駆動軸25と、中空駆動軸25を回転自在に支承するベアリング部14を備えるとともにコイル部22を備えるハウジング26とを有する。そして、中空駆動軸25では、ナット部材13と永久磁石23が中空駆動軸25の軸方向に対して垂直な方向で重畳しないように設置され、ハウジング26では、ベアリング部14がナット部材13に対応する位置に設置されるとともに、コイル部22が永久磁石23に対応する位置に設置されている。このような構成の採用によって、高い剛性と良好な停止応答性を有するとともに、メンテナンス性が良く、しかもコンパクトな装置形状を有する中空モータ駆動装置を提供することができる。

Description

本発明は、回転運動と往復直線運動とを相互に変換可能なねじ・ナット機構と、モータ駆動軸のない中空モータとを融合させた中空モータ駆動装置に関するものである。
従来、一軸方向の往復直線運動を中空モータを用いて行わせる駆動装置としては、例えば、下記特許文献1に開示される駆動装置が知られている。この駆動装置は、中空モータの中空部内を貫通させた状態に被駆動ロッドを配置し、中空部を形成している筒状ロータの回転を被駆動ロッドの直線駆動力として伝達するようにしたものである。具体的には、ロータの内周面に雌ねじを切り、この雌ねじに螺合可能な雄ねじを被駆動ロッドの外周面に切り、被駆動ロッドをロータの内周にねじ込む構成を採用している。また、被駆動ロッドの外周面には、雄ねじと重ね合わされた状態でスプラインが形成されており、このスプラインと嵌り合うスプライン溝がロータ側に形成されることにより、被駆動ロッドを中心軸方向には移動可能であるが、その周りには回転しないように構成している。
実開平6−53851号公報 特開平6−300106号公報
しかしながら、上記特許文献1に開示の駆動装置の場合には、直線運動の停止をモータの自己保持力で行うようになっているので、被駆動ロッドの位置決め精度を高精度にできないという問題があった。また、中空モータの両側には、筒状ロータを支承するために1対のベアリングが配置されているが、この構成によって中空モータのメンテナンス性が悪化するとともに、組立作業も複雑に成らざるを得ない。
なお、上記特許文献2には、被駆動ロッドの位置決め精度を向上させることを目的とした駆動装置が開示されている。この上記特許文献2に記載の駆動装置は、中空モータとボールねじナットおよびスプライン機構を融合した構成を採用するものであり、ボールねじナットの採用によって回転駆動部の小径化が実現され、その結果として慣性モーメントが可及的に小さくできるので、停止応答性の良い装置が実現されている。
しかしながら、上記特許文献2に記載の駆動装置は、中空モータとボールねじナットおよびスプライン機構を直列に配置する構成を採用することから、剛性は高いものの装置形状が大きくならざるを得ないという問題を有していた。特に、この種の駆動装置においては、装置の軸方向の長さが大きくなってしまうと、設置スペースの面で制約を受けることとなり、装置の適用範囲が狭まってしまう。
本発明は、上述した課題の存在に鑑みて成されたものであって、その目的は、高い剛性と良好な停止応答性を有するとともに、メンテナンス性が良く、しかもコンパクトな装置形状を有する中空モータ駆動装置を提供することにある。
本発明に係る中空モータ駆動装置は、外周面に螺旋状のねじ溝が形成されるねじ軸と、前記ねじ溝に螺合するナット溝が内周面に形成されるナット部材と、内周側に前記ナット部材が固定設置されるとともに外周側に界磁束発生源となる永久磁石が設置される中空駆動軸と、前記中空駆動軸を回転自在に支承するベアリング部を備えるとともに磁界発生源となるコイル部を備えるハウジングと、を有する中空モータ駆動装置であって、前記中空駆動軸では、前記ナット部材と前記永久磁石が中空駆動軸の軸方向に対して垂直な方向で重畳しないように設置され、前記ハウジングでは、前記ベアリング部が前記ナット部材に対応する位置に設置されるとともに、前記コイル部が前記永久磁石に対応する位置に設置されることを特徴とする。
すなわち、本発明に係る中空モータ駆動装置では、ねじ軸のねじ溝とナット部材のナット溝とが滑りねじの状態で螺合しており、さらに、ねじ軸から回転駆動力を受けるナット部材が中空駆動軸に固定設置される構成を採用しているので、中空モータ停止時の慣性モーメントを可及的に小さくでき、非常に良好な停止応答性が実現されている。また、ねじ軸からナット部材を介して中空駆動軸に伝達される荷重を、1箇所にまとめたベアリング部によって受けるようにしたので、高い剛性を維持しながらもコンパクトな装置構成を実現することが可能となっている。
本発明に係る中空モータ駆動装置において、前記ハウジングは、少なくとも前記ベアリング部を収納するベアリング収納部と、前記コイル部を収納するコイル収納部とを有して構成することができる。
すなわち、本発明に係る中空モータ駆動装置では、コイル部および永久磁石によって構成されて動力発生源となる中空モータ部と、ナット部材およびベアリング部によって構成されて駆動力変換手段となるねじ・ナット機構部とが分離して設置されるというシンプルな装置構成を採用しているので、メンテナンス性に優れているとともに組立作業が容易である。
また、本発明に係る中空モータ駆動装置において、前記ハウジングを構成する前記コイル収納部は、取り外し自在に構成されていることとすることができる。
すなわち、ハウジングを構成する部材であるコイル収納部を取り外し自在とすることによって、中空モータ部のみを取り換えることが可能となり、例えば、コイル部と永久磁石を変更することによって、中空モータ駆動装置の定格出力を容易に変更することが可能となる。
さらに、本発明に係る中空モータ駆動装置において、前記永久磁石は、前記コイル部との間隔を調整自在なように前記中空駆動軸に対して位置調整機構部を介して設置することができる。
すなわち、本発明に係る中空モータ駆動装置によれば、永久磁石とコイル部との間隔を容易に調整することができるので、装置組立時の初期設定やメンテナンス時における中空モータ部の調整が非常に容易となる。
またさらに、本発明に係る中空モータ駆動装置において、前記位置調整機構部は、前記永久磁石に連接される磁石保持部材と、前記磁石保持部材と前記中空駆動軸との間に挿入設置されるとともに、一端側が前記中空駆動軸に形成される係止壁に当接することによって一端側軸方向への移動が規制されるシュパンリングと、前記シュパンリングの他端側に設置されるとともに、前記中空駆動軸の軸方向で移動自在に設置されるスペーサスリーブと、前記中空駆動軸の表面に形成されるねじ溝に螺合することによって、前記スペーサスリーブを介して前記シュパンリングを一端側軸方向に押圧可能なスラストナットと、によって構成されていることとすることができる。
なお上記発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。
本発明によれば、高い剛性と良好な停止応答性を有するとともに、メンテナンス性が良く、しかもコンパクトな装置形状を有する中空モータ駆動装置を提供することができる。
図1は、本実施形態に係る中空モータ駆動装置の要部を示す外観斜視図である。 図2は、本実施形態に係る中空モータ駆動装置の構成を説明するための要部縦断面正面図である。 図3は、本実施形態に係る中空モータ駆動装置の動作を説明するための縦断面正面図である。 図4は、本実施例に係る中空モータ駆動装置の使用例を示す外観斜視図である。
符号の説明
10 中空モータ駆動装置、11 ねじ・ナット機構部、12 ねじ軸、12a ねじ溝、13 ナット部材、14 ベアリング部、21 中空モータ部、22 コイル部、23 永久磁石、25 中空駆動軸、25a,25b 係止壁、26 ハウジング、26a 端蓋部、26b ベアリング収納、26c フランジ部、26d コイル収納部、27 ボルト、30 位置調整機構部、31 磁石保持部材、32 シュパンリング、33 スペーサスリーブ、34 ロータリーエンコーダ、35 スラストナット、36 エンコーダセンサ、37 ストッパナット、40 ブロック体、45 リニアガイド、45a 移動ブロック、45b 軌道レール。
以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1は、本実施形態に係る中空モータ駆動装置の要部を示す外観斜視図である。また、図2は、本実施形態に係る中空モータ駆動装置の構成を説明するための要部縦断面正面図である。
本実施形態に係る中空モータ駆動装置10は、ねじ軸12、ナット部材13およびベアリング部14によって構成されて駆動力変換手段となるねじ・ナット機構部11と、コイル部22および永久磁石23によって構成されて動力発生源となる中空モータ部21とを備えている。そして、ねじ・ナット機構部11と中空モータ部21とは、中空駆動軸25を介して融合される形で構成されている。この中空駆動軸25は、ナット部材13とベアリング部14との間に介在してナット部材13の負荷をベアリング部14に伝達するとともに、外周側に永久磁石23が設置されることによって中空モータ部21のロータとしての役割を果たしている。
ねじ・ナット機構部11を構成するねじ軸12は、外周面に螺旋状のねじ溝12aが形成される部材であり、中空モータ駆動装置10の動作に際して基準となる部材である。また、ナット部材13は、ねじ軸12のねじ溝12aに螺合するナット溝(不図示)を内周面に備える部材であり、このナット部材13がねじ軸12に対して螺合設置されることによって、滑りねじが構成されている。したがって、ナット部材13が回転運動を行うことによって、ねじ軸12のナット部材13に対する相対的な軸方向の往復直線運動が可能となっている。
ナット部材13は、中空モータ部21のロータとしての役割を果たす中空駆動軸25の内周側に固定設置されており、中空駆動軸25の回転運動にしたがって共回りするようになっている。また、ナット部材13は、中空駆動軸25を介してベアリング部14によって支承されており、この構成によってナット部材13の安定した回転運動が実現されている。
中空駆動軸25は、その内周側にナット部材13が固定設置されているので、上述したように、ナット部材13とベアリング部14との間に介在して負荷を受け渡す役割を果たしているが、さらに、外周側に界磁束発生源となる永久磁石23が設置されているので、中空モータ部21のロータとしての役割を担っている。また、中空駆動軸25に設置される永久磁石23と対向する位置には、磁界発生源となるコイル部22が設置されており、これら永久磁石23とコイル部22とによって中空モータが構成されている。
なお、本実施形態において、中空駆動軸25に対する永久磁石23の取り付けは、位置調整機構部30を介して設置する構成が採られている。この位置調整機構部30の作用によって、永久磁石23は、コイル部22との間隔が調整自在となっている。そして、位置調整機構部30は、磁石保持部材31とシュパンリング32、スペーサスリーブ33およびスラストナット35によって構成されている。位置調整機構部30の具体的な構成および作用について、以下に説明する。
そもそも、永久磁石23は、複数の延べ板形状の永久磁石が耐熱性の可撓性材料によって複数接続されて中空駆動軸25を取り囲み、中空駆動軸25の外径方向への若干の移動が可能な状態で設置されている。そして、このように構成される永久磁石23に径方向への移動力を加えることによって、中空駆動軸25の外径方向もしくは内径方向への移動が実現され、コイル部22との間隔が調整可能となっている。ただし、永久磁石23に対して直接移動力を加えることは好ましくないので、永久磁石23に磁石保持部材31を連接する構成が採用されている。したがって、永久磁石23への移動力は、磁石保持部材31を介して及ぼされることとなる。
磁石保持部材31と中空駆動軸25との間には、シュパンリング32が挿入設置されている。このシュパンリング32は、磁石保持部材31と中空駆動軸25との間隔を調整することのできるくさび形の摩擦締結要素であり、軸方向の押圧力を軸方向と垂直な方向(径方向)の移動力として変換できるものである。つまり、本実施形態に係るシュパンリング32は、一端側(図2における紙面左側)が中空駆動軸25に形成される係止壁25aに当接することによって一端側軸方向へのこれ以上の移動が規制されており、他端側(図2における紙面右側)は中空駆動軸25との関係においては自由な状態とされている。したがって、シュパンリング32は、他端側(図2における紙面右側)から一端側軸方向に向けて押圧されると、この軸方向の押圧力を外径方向の移動力として変換でき、逆に、他端側から一端側軸方向に向けた押圧を弛めるように操作すると、この軸方向の押圧力の弛緩によって内径方向への移動力が得られるので、磁石保持部材31に連接される永久磁石23の径方向での位置調整が可能となっている。
シュパンリング32への押圧は、シュパンリング32の他端側(図2における紙面右側)に設置されるとともに、中空駆動軸25の軸方向で移動自在に設置されるスペーサスリーブ33と、中空駆動軸25の表面に形成されるねじ溝に螺合することによって、スペーサスリーブ33を介してシュパンリング32を一端側(図2における紙面左側)軸方向に押圧可能なスラストナット35とによって実現されている。
以上のように、本実施形態に係る中空モータ駆動装置10では、永久磁石23が位置調整機構部30を介して中空駆動軸25に設置されることにより、永久磁石23とコイル部22との間隔を非常に簡単に調整することが可能となっている。したがって、本実施形態に係る中空モータ駆動装置10は、装置組立時の初期設定やメンテナンス時における中空モータ部21の調整が非常に容易となっている。
なお、中空駆動軸25に設置されるスペーサスリーブ33とスラストナット35との間には、ロータリーエンコーダ34が設置されている。また、ロータリーエンコーダ34と対向するハウジング26(コイル収納部26d)には、エンコーダセンサ36が配置されている。本実施形態に係る中空モータ部21では、ロータリーエンコーダ34とエンコーダセンサ36とを設置することによって、中空モータの角度位置が検出され、同期モータとしてのモータ制御が成されている。
そして、本実施形態に係る中空モータ部21の動作方式には、ロータとしての中空駆動軸25の位置情報をロータリーエンコーダ34およびエンコーダセンサ36によって検出し、電流の通電する相を60度毎(電気角360度に対して60度毎)に切替えて回転制御を行うという矩形波駆動方式が採用されている。この方式は、少ない電流で大きなトルクが得られるという点で有意である。
さらに、本実施形態に係る中空モータ駆動装置10の外郭は、ベアリング部14およびコイル部22を収納するハウジング26によって構成されている。そして、本実施形態に係るハウジング26は、例えば図1および図2において例示するように、ハウジング26の端部を構成する端蓋部26aと、ベアリング部14を収納するベアリング収納部26bと、装置の取付手段となるフランジ部26cと、コイル部22を収納するコイル収納部26dとによって構成することができる。
ちなみに、これらハウジング26を構成する端蓋部26a、ベアリング収納部26b、フランジ部26cおよびコイル収納部26dは、それぞれボルト27等の結合手段を用いて接続することが可能であり、特に、コイル収納部26dについては、取り外し自在に構成しておくことが好適である。このように、コイル収納部26dを取り外し自在に構成するのは、中空モータ部21のみの取り換えを可能とするためであり、コイル部22と永久磁石23とを取り換えることによって、中空モータ駆動装置10の定格出力を任意且つ容易に変更することが可能となる。
以上、本実施形態に係る中空モータ駆動装置10の構成部材について説明したが、図1および図2を用いて説明したように、本実施形態に係る中空モータ駆動装置10は、中空駆動軸25上では、ナット部材13と永久磁石23が中空駆動軸25の軸方向に対して垂直な方向で重畳しないように設置されており、一方、ハウジング26側では、ベアリング部14がナット部材13に対応する位置に設置されるとともに、コイル部22が永久磁石23に対応する位置に設置されるという構成が採用されている。すなわち、本実施形態に係る中空モータ駆動装置10では、ねじ軸12からナット部材13を介して中空駆動軸25に伝達される荷重を、1箇所にまとめたベアリング部14によって受けるようにしているので、高い剛性を維持しながらもコンパクトな装置構成が実現できている。
また、本実施形態に係る中空モータ駆動装置10では、ねじ軸12のねじ溝12aとナット部材13のナット溝とが滑りねじの状態で螺合しており、さらに、ねじ軸12から回転駆動力を受けるナット部材13が中空駆動軸25に固定設置される構成を採用しているので、中空モータ停止時の慣性モーメントを可及的に小さくでき、非常に良好な停止応答性が実現されている。
またさらに、本実施形態に係る中空モータ駆動装置10は、ねじ・ナット機構部11と中空モータ部21とが分離して設置されるというシンプルな装置構成を採用しているので、メンテナンス性に優れているとともに組立作業が容易となっている。
以上、本実施形態に係る中空モータ駆動装置10の構成部材を説明した。次に、本実施形態に係る中空モータ駆動装置10の組立方法を説明する。
本実施形態に係る中空モータ駆動装置10の組立手順は、まず、内周側にナット部材13が設置され、外周側に永久磁石23が設置された中空駆動軸25に対して複数のベアリングを設置することにより、ベアリング部14を形成する。ベアリング部14は、一端側(図2における紙面左側)が中空駆動軸25に形成された係止壁25bに当接することによって一端側軸方向への移動が規制されている。さらにこの状態から、ベアリング部14の他端側(図2における紙面右側)を中空駆動軸25に螺合するストッパナット37によって固定することにより、確実なベアリング部14の設置が成されている。
続いて、ベアリング部14の外周面を収納保護するために、ハウジング26を構成する部材のうちの端蓋部26a、ベアリング収納部26bおよびフランジ部26cが設置される。その後、コイル部22が収納されるコイル収納部26dを設置し、さらに、位置調整機構部30を操作することによって、永久磁石23とコイル部22との間隔を調整する。位置調整機構部30の操作は、基本的にスラストナット35の締め込み量の調整によるシュパンリング32の外径方向もしくは内径方向への移動量調整によって行われる。
最後に、ハウジング26を構成するコイル収納部26dに対してエンコーダセンサ36を取り付けることにより、本実施形態に係る中空モータ駆動装置10の組立が完了する。
次に、本実施形態に係る中空モータ駆動装置10の動作について、図3を用いて説明する。図3は、本実施形態に係る中空モータ駆動装置の動作を説明するための縦断面正面図である。本実施形態に係る中空モータ駆動装置10は、少なくとも3つの動作方法を提供することが可能となっている。
まず1つめは、中空モータ駆動装置10の本体部分、すなわち符号Aで示されるハウジング26を構成するフランジ部26cの箇所で固定し、ねじ軸12を自由な状態とする。この状態で中空モータ部21を稼動させると、ねじ軸12はその軸方向に往復直線運動を行うことができる。またこのとき、ねじ軸12は、軸周りで回転せずに往復直線運動のみを行うことになる。したがって、駆動対象となる物品をねじ軸12に設置することにより、物品の駆動操作を行うことが可能となる。
2つめの動作方法は、符号B,Cで示される箇所の両方あるいはいずれか一方を固定することによってねじ軸12を固定状態とし、駆動対象となる物品を符号Aで示されるフランジ部26cの箇所で固定する方法である。この状態で中空モータ部21を稼動させると、ねじ軸12のみ固定された状態となり、ねじ・ナット機構部11や中空モータ部21といった中空モータ駆動装置10の本体部分が軸方向に往復直線運動を行うことになる。したがって、物品は、中空モータ駆動装置10の本体部分とともに駆動操作されることになる。
最後の3つめの動作方法は、上述した1つめの動作方法と2つめの動作方法を組み合わせた方法である。すなわち、符号A乃至Cで示された箇所のいずれにも駆動対象となる物品を配置し、それぞれの拘束・解放と中空モータ部21の稼動状態を制御することによって、物品の複雑な駆動操作を行うことが可能となる。
上述した本実施形態に係る中空モータ駆動装置10の具体的な使用例について、図4を用いて説明する。図4は、本実施例に係る中空モータ駆動装置の使用例を示す外観斜視図である。
本実施例に係る中空モータ駆動装置10は、ハウジング26を構成する部材のうちのフランジ部26cを取り除き、ハウジング26の外周に矩形形状のブロック体40を設置してある。また、ブロック体40の下方には、2つのリニアガイド45が設置されており、リニアガイド45を構成する部材のうちの移動ブロック45aがブロック体40に、リニアガイド45を構成する部材のうちの軌道レール45bが設置基準となる基台部に接続されている。
そして、ねじ軸12を固定した状態で中空モータ部21を稼動させると、ブロック体40のみが軸方向に移動し、ブロック体40を固定した状態で中空モータ部21を稼動させると、ねじ軸12のみが軸方向に移動し、ねじ軸12とブロック体40の拘束・解放状態を調整しながら中空モータ部21を稼動させると、ねじ軸12とブロック体40の軸方向での複雑な移動動作が可能となる。
なお、図4で例示した本実施例に係るブロック体40は、例えば作業者の足場や物品置場等を想定したものであり、本実施形態に係る中空モータ駆動装置10と2つのリニアガイド45との組合せによって、非常に高い剛性と停止応答性を備えた駆動装置が実現されている。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。
例えば、上述した本実施形態に係る中空モータ駆動装置10では、ねじ軸12とナット部材13とが直接螺合して滑りねじを構成している場合を例示して説明したが、ねじ軸12とナット部材13との間に無限循環可能な転動体(ボールやローラなど)を介装し、転動体ねじ装置として構成することも可能である。かかる構成の採用によって、剛性、停止応答性がさらに高まるとともに、よりスムーズな動作が実現できる。
また、上述した本実施形態に係る中空モータ駆動装置10では、ナット部材13の回転運動によって生じる負荷を支承するベアリング部14については、ナット部材13に対向する位置にまとめて設置する構成を採用した。これは、中空駆動軸25に加わる負荷を考慮し、回転運動する中空駆動軸25の釣り合い点を考慮した非常に好適な構成である。しかし、装置の長寿命化や駆動時におけるさらなる安定化を目指して、ハウジング26における他端側(図2における紙面右側)の端部にサポートベアリングを設置することも可能である。
以上の様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

Claims (5)

  1. 外周面に螺旋状のねじ溝が形成されるねじ軸と、
    前記ねじ溝に螺合するナット溝が内周面に形成されるナット部材と、
    内周側に前記ナット部材が固定設置されるとともに外周側に界磁束発生源となる永久磁石が設置される中空駆動軸と、
    前記中空駆動軸を回転自在に支承するベアリング部を備えるとともに磁界発生源となるコイル部を備えるハウジングと、
    を有する中空モータ駆動装置であって、
    前記中空駆動軸では、前記ナット部材と前記永久磁石が中空駆動軸の軸方向に対して垂直な方向で重畳しないように設置され、
    前記ハウジングでは、前記ベアリング部が前記ナット部材に対応する位置に設置されるとともに、前記コイル部が前記永久磁石に対応する位置に設置されることを特徴とする中空モータ駆動装置。
  2. 請求項1に記載の中空モータ駆動装置において、
    前記ハウジングは、少なくとも前記ベアリング部を収納するベアリング収納部と、前記コイル部を収納するコイル収納部とを有して構成されていることを特徴とする中空モータ駆動装置。
  3. 請求項2に記載の中空モータ駆動装置において、
    前記ハウジングを構成する前記コイル収納部は、取り外し自在に構成されていることを特徴とする中空モータ駆動装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の中空モータ駆動装置において、
    前記永久磁石は、前記コイル部との間隔を調整自在なように前記中空駆動軸に対して位置調整機構部を介して設置されていることを特徴とする中空モータ駆動装置。
  5. 請求項4に記載の中空モータ駆動装置において、
    前記位置調整機構部は、
    前記永久磁石に連接される磁石保持部材と、
    前記磁石保持部材と前記中空駆動軸との間に挿入設置されるとともに、一端側が前記中空駆動軸に形成される係止壁に当接することによって一端側軸方向への移動が規制されるシュパンリングと、
    前記シュパンリングの他端側に設置されるとともに、前記中空駆動軸の軸方向で移動自在に設置されるスペーサスリーブと、
    前記中空駆動軸の表面に形成されるねじ溝に螺合することによって、前記スペーサスリーブを介して前記シュパンリングを一端側軸方向に押圧可能なスラストナットと、
    によって構成されていることを特徴とする中空モータ駆動装置。
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