WO2007026673A1 - マイクロアクチュエータ - Google Patents

Abstract

　移動部材のストローク距離と全長との差を小さくすると共に、ストローク方向と直交する断面積をも小さくして全体的にしてコンパクトに構成することができ、直径１０ｍｍ程度に小型化することが可能なマイクロアクチュエータを提供するものであり、中空部を有して筒状に形成されると共に軸方向に沿ってスリット開口が形成されたスプライン軸と、このスプライン軸に嵌合すると共に当該スプライン軸をその軸方向へ案内するスプラインナットと、前記スプライン軸の両端開口に固定される一対のエンドキャップと、これらエンドキャップによって前記スプライン軸の中空部内に両端支持されるマグネットロッドと、前記スプライン軸の中空部内で前記マグネットロッドの周囲に遊嵌して当該マグネットロッドと相まってリニアモータを構成すると共に、前記スリット開口を介して前記スプラインナットと結合されたフォーサと、から構成されている。

Description

明 細 書

マイクロアクチュ: 31—タ

技術分野

[0001] 本発明は、駆動手段を内蔵し、入力信号に応じてスプライン軸とスプラインナットが 相対的に移動可能なァクチユエータに係り、特に、直径 10mm程度にまで小型化し 、各種産業機器に利用可能なマイクロアクチユエータに関する。

背景技術

[0002] 従来、電気的な入力信号を移動部材の直線運動に変換して出力するリニアァクチ ユエータは、大きくは、外力を負荷しながら移動部材を直線案内する案内機構と、前 記移動部材を前記案内機構に沿って進退させる駆動機構とから構成されて 、る。前 記駆動機構としては種々のものが知られており、例えば、油圧シリンダ又はエアシリン ダを駆動源とし、ピストンの直線往復運動をそのまま前記移動部材に伝達するように 構成したリニアァクチユエータや、モータを駆動源とし、ボールねじを用いて前記モー タの回転運動を直線運動に変換するようにしたァクチユエータが知られている。また、 固定子と可動子とから構成されるリニアモータを駆動源とし、リニアモータの直線往復 運動をそのまま前記移動部材に伝達するように構成したリニアァクチユエータも知ら れている。

[0003] 必要とされる移動部材の推力、荷重負荷能力、移動速度、精度等に応じ、前記駆 動機構と案内機構の組み合わせは様々であるが、任意の駆動機構と案内機構を単 純に組み合わせただけでは、リニアァクチユエータのサイズが大型化してしまい、使 V、勝手の悪!、ものとなってしまう。

[0004] 特開 2003— 278873には、前記駆動機構を案内機構に内蔵した比較的コンパクト な構造のリニアァクチユエータが開示されている。このリニアァクチユエータは、中空 部を有する円筒状ノ、ウジング内にねじ軸及びボールナットからなるボールねじを収容 すると共に、力かる中空部内で前記ねじ軸を回転自在に支承している。前記円筒状 ハウジングの一端にはモータが固定され、このモータで前記ねじ軸に任意の回転を 与えることができるようになつている。また、前記ハウジングの外周面には軸方向に沿 つてスプライン溝が形成される一方、このハウジングの外側には前記スプライン溝を 介して筒状移動部材が嵌合しており、この筒状移動部材はハウジングに対する相対 的な回転を阻止された状態で該ハウジングの軸方向へ自在に移動可能となって 、る 。更に、前記ハウジングにはスリット状の開口部が軸方向に沿って形成されており、こ の開口部を介して前記ボールねじのボールナットが前記移動部材と結合されて 、る

[0005] このような構成のァクチユエータは、前記モータを回転させてハウジングの中空部 内に収容されたねじ軸に任意の回転を与えると、力かるねじ軸の回転に応じてボー ルナットが中空部内を移動し、ノ、ウジングの外側では筒状移動部材がボールナットと 共に軸方向へ移動する。従って、前記モータの回転方向及び回転量に応じて筒状 移動部材をハウジングの軸方向に沿って任意方向へ任意量だけ移動させることがで きるものである。

特許文献 1：特開 2003 - 278873

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] しかし、このようにハウジング内にボールねじを収容すると、前記ねじ軸に螺合する ボールナットはボールの無限循環路を具備して 、ることから、その直径を極端に小さ くすることはできず、中空部内にボールナットを収容するハウジングも直径が大きくな らざるを得ない。また、前記ねじ軸を駆動するモータはブラケットを介して前記ハウジ ングの長手方向の一端に固定されるため、筒状移動部材のストローク距離とリニアァ クチユエータの全長との差が大きくなせざるを得ず、用途に対して必要とする移動部 材のストローク距離が短 、場合であっても、リニアァクチユエータの全長をそれほど短 くすることができなかった。更に、前記ねじ軸はその両端を軸受によって支承する必 要があり、力かる軸受をノ、ウジングの中空部内に収容して固定する必要があることか ら、ハウジングに対するねじ軸の組み付け作業に手間がかかり、し力も構成部品の点 数が多くコストが嵩むといった問題点もあった。 課題を解決するための手段

[0007] 本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、移 動部材のストローク距離と全長との差を小さくすると共に、ストローク方向と直交する 断面積をも小さくして全体的にしてコンパクトに構成することができ、直径 10mm程度 に小型化することが可能なマイクロアクチユエータを提供することにある。

[0008] また、本発明の他の目的は、部品点数が少なぐ容易に組立を行うことが可能なマ イクロアクチユエータを提供することにある。

[0009] 前記目的を達成するために、本発明のリニアァクチユエータは、中空部を有して筒 状に形成されると共に軸方向に沿ってスリット開口が形成されたスプライン軸と、この スプライン軸に嵌合すると共に当該スプライン軸をその軸方向へ案内するスプライン ナットと、前記スプライン軸の両端開口に固定される一対のエンドキャップと、これらェ ンドキャップによって前記スプライン軸の中空部内に両端支持されるマグネットロッド と、前記スプライン軸の中空部内で前記マグネットロッドの周囲に遊嵌して当該マグ ネットロッドと相まってリニアモータを構成すると共に、前記スリット開口を介して前記ス プラインナットと結合されたフォーサと、力も構成されて 、る。

[0010] 前記マグネットロッドはその両端が前記エンドキャップに嵌合し、前記エンドキャップ をスプライン軸の両端開口に固定することで、力かるマグネットロッドがスプライン軸の 中空部内に支持されるようになっている。前記フォーサはコイル部材を内蔵しており、 力かるコイル部材に電気信号を印可すると、フォーサはマグネットロッドに遊嵌した状 態でスプライン軸の中空部内を軸方向へ推進される。その結果、スプライン軸のスリツ ト開口を介して前記フォーサと結合されたスプラインナットがスプライン軸の外側にお いて軸方向へ推進されることになる。

[0011] このような本発明のマイクロアクチユエータでは、一対のエンドキャップによってスプ ライン軸の両端開口を閉塞することによって、前記マグネットロッドがスプライン軸の 中空部内に支持されており、案内機構としてのスプライン軸の内部に駆動機構として のリニアモータを完全に収容しているので、移動部材、すなわち前記スプラインナット のストローク長とァクチユエータの全長との差を小さくすることができる。また、マグネッ トロッドの周囲にフォーサを遊嵌させる所謂ロッドタイプのリニアモータを使用している ので、フォーサを小型化しても充分な推力を得ることができ、力かるフォーサを中空部 に収容するスプライン軸の直径を小さく設定することが可能となる。これにより、本発 明によれば、極めて小型化されたリニアァクチユエータ、すなわちマイクロアクチユエ ータを得ることが可能となる。

[0012] また、前述の如く本発明のマイクロアクチユエータでは、リニアモータを構成するマ グネットロッドを一対のエンドキャップによってスプライン軸に固定する一方、フォーサ をスプラインナットに結合するのみで組み立てが略完了するので、構成部品の点数 が少なぐ容易に組立を行うことが可能であり、その分、低コストで生産することが可 能である。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1]本発明のマイクロアクチユエータの第一の実施形態を示す全体斜視図である。

[図 2]図 1に示すマイクロアクチユエ一タを長手方向に沿って縦に切り欠 、た斜視図 である。

[図 3]図 1に示すマイクロアクチユエ一タを長手方向に沿って横に切り欠 、た斜視図 である。

[図 4]図 1に示すマイクロアクチユエータをスプラインナットの中心で長手方向と垂直に 切り欠いた斜視図である。

[図 5]本発明のマイクロアクチユエータの第二の実施形態を示す全体斜視図である。

[図 6]図 5に示すマイクロアクチユエータを裏側から観察した全体斜視図である。

[図 7]本発明のマイクロアクチユエータの第三の実施形態を示す全体斜視図である。 符号の説明

[0014] 1…スプライン軸、 2…スプラインナット、 3· ··リニアモータ、 5…エンドキャップ、 12, 13· ··スリット開口、 30· ··マグネットロッド、 31· ··フォーサ

発明を実施するための最良の形態

[0015] 以下、添付図面に沿って本発明のマイクロアクチユエータを詳細に説明する。

[0016] 図 1乃至図 4は本発明のマイクロアクチユエータの第一の実施形態を示すものであ り、図 1は全体斜視図、図 2は長手方向に沿って縦に切り欠いた斜視図、図 3は長手 方向に沿って横に切り欠いた斜視図、図 4は後述するスプラインナットの中心で長手 方向と垂直に切り欠いた斜視図である。このマイクロアクチユエータは、中空部 10を 有して略円筒状に形成されたスプライン軸 1と、多数のボールを介してこのスプライン 軸 1の外側に嵌合したスプラインナット 2とを備え、前記スプライン軸 1の中空部 10内 に収容されたリニアモータ 3の発生する推力を用いて、前記スプラインナット 2をスプラ イン軸 1の軸方向へ往復運動させることができるように構成されて 、る。

[0017] 前記スプライン軸 1は中空部 10を有して円筒状に形成されており、その外周面には 180° 位相をずらして 2条のボール転走溝 11が形成されている。また、このスプライ ン軸 1には前記ボール転走溝 11と位相を 90° ずらした位置に軸方向に沿った一対 のスリット開口 12, 13が設けられている。これらスリット開口 12, 13は前記中空部 10 を挟んで対向しており、スプライン軸 1の内外を連通している。実際の試作では、前記 スプライン軸 1の外径を約 7mm、内径を約 5mmとした。

[0018] 一方、前記スプラインナット 2は、その内径が前記スプライン軸 1よりも僅かに大きな 略円筒状に形成されており、前記スプライン軸 1のボール転走溝 11を転走する多数 のボール 4を介してスプライン軸 1の外側に嵌合して 、る。このスプラインナット 2は、 ナツト本体 20と、このナット本体 20の軸方向の両端面に固定される一対のエンドプレ ート 21とから構成されている。

[0019] ナット本体 20の内周面には前記スプライン軸 1のボール転走溝 11と相対向する負 荷転走溝 22が形成されており、前記ボール 4はこれらボール転走溝 11と負荷転走 溝 22との間で荷重を負荷しながら転走する。また、ナット本体 20には前記負荷転走 溝 22と平行にボール戻し通路 23が形成されており、これらボール戻し通路 23は前 記負荷転走溝 22と半径方向に重なった位置に存在している。一方、前記エンドプレ ート 21にはナット本体 20の負荷転走溝 22と前記ボール戻し通路 23との間でボール 3を往来させる方向転換路 24が形成されており、一対のエンドプレート 21をナット本 体 20の軸方向の両端面に固定してスプラインナット 2を組み立てると、力かるスプライ ンナット 2にボール 4の無限循環路 25が具備されるようになっている。尚、図 2では、 スプライン軸 1を挟んで対向する位置に形成された 2つの無限循環路 25のうち、一方 の無限循環路 25についてだけボール 4が配列されている力 実際にはボール 4が描 かれて 、な 、無限循環路 25につ 、ても全周にボール 4を組み込んで使用する。

[0020] 従って、前記スプラインナット 2をスプライン軸 1に沿って移動させると、ボール 4がナ ット本体 20とスプライン軸 1との間で荷重を負荷しながら前記無限循環路 25内を循 環し、スプラインナット 2をスプライン軸 1に沿って連続的に移動させることができるも のである。また、スプラインナット 2には図 1の裏側の位置にねじ孔が設けられており、 このねじ孔に固定ねじを螺合させることで、前記スプラインナット 2を他の機械装置な どに固定することが可能となっている。従って、このマイクロアクチユエータは、スプラ インナット 2を固定し、力かるスプラインナット 2に支承されたスプライン軸 1を軸方向へ 進退させるようにして使用される。尚、実際の試作では、前記ボール 4として直径 0. 4 mmのま岡球を使用した。

[0021] 一方、前記スプライン軸 1の中空部 10内にはリニアモータ 3の固定子としてのマグ ネットロッド 30が収容されている。力かるマグネットロッド 30は軸方向に沿って永久磁 石の N極及び S極を交互に配列したものであり、スチールパイプの内部に多数の永 久磁石を詰め込んで製作しても良いし、成形された丸棒に対して後から着磁して磁 極を形成するようにしても良 、。

[0022] 前記スプライン軸 1の軸方向両端の開口部には一対のエンドキャップ 5が嵌合して おり、スプライン軸 1の中空部 10を軸方向から閉塞している。これらエンドキャップの 中心には前記マグネットロッド 30の端部を嵌合させる保持孔 50が夫々形成されてお り、一対のエンドキャップ 5をスプライン軸 1に固定することにより、前記マグネットロッド 30がスプライン軸 1の中空部 10内で両端支持梁の如く保持され、スプライン軸 1の軸 方向、すなわちスプラインナット 2の移動方向と平行に位置決めされるようになってい る。尚、図中における符号 51は前記エンドキャップ 5をスプライン軸 1に固定するため の止めねじである。

[0023] また、前記マグネットロッド 30の周囲にはリニアモータ 3を構成するフォーサ 31が僅 かな隙間を保って遊嵌して 、る。このフォーサは熱伝導性に優れたアルミニウムで形 成されると共に、前記マグネットロッドが貫通する中空部を有し、かかる中空部の内周 面には固定子としての励磁コイル（図示せず）が収納されている。励磁コイルは U, V 及び W相の 3つのコイルを 1組とするコイル群を有して!/、る。 、ずれの相の励磁コイル もリング状であり、マグネットロッド 30の外周面と僅かな隙間を介して対向している。ま た、各相の励磁コイルの配列ピッチはマグネットロッドにおける永久磁石の配列ピッチ よりも短く設定されている。マグネットロッド 30には S極の磁極から N極の磁極に向力 つて磁束が形成されており、コイル部材にはその磁束密度を検出する磁極センサ（図 示せず）が内蔵されている。従って、この磁極センサの出力する検出信号力も励磁コ ィルに対するマグネットロッドの各磁極 (N極及び S極）の位置関係が把握される。励 磁コイルへの通電を制御しているコントローラは前記磁極センサの検出信号を受信し

、励磁コイルとマグネットロッドの各磁極との位置関係に応じた最適な電流を演算し、 それを各励磁コイルに通電する。その結果、各励磁コイルに流れる電流と永久磁石 によって形成される磁束との相互作用によって、励磁コイルと永久磁石の各磁極との 間に吸弓 I力及び反発力が発生し、フォーサ 31がマグネットロッド 30の軸方向へ推進 されること〖こなる。

[0024] 図 3に示されているように、前記フォーサ 31の一部はスプライン軸 1の一方のスリット 開口 12に差し込まれており、固定ねじ 32によってスプラインナット 2と結合されている 。これにより、フォーサ 31がマグネットロッド 30の軸方向へ推進されると、スプラインナ ット 2がスプライン軸 1の軸方向へ推進されることになる。

[0025] また、図 1及び図 3に示されるように、スプライン軸 1の他方のスリット開口 13には、リ ユアスケール 33がスプライン軸 1の軸方向と平行に配設されている。このリニアスケー ル 33はマグネットスケールとして構成されており、断面円形状の金属製ワイヤに対し て N極及び S極の磁極が所定のピッチで交互に配列されて!、る。このリニアスケール は台座 34を用いてスリット開口 13内に固定されている。

[0026] 更に、図 4に示すように、前記スリット開口 13内には前記リニアスケール 33の磁極を 検出する読取ヘッド 35がスプライン軸 1の外側力 挿入されており、この読取ヘッド 3 5はブラケット 36を介してスプラインナット 2に固定されている。これにより、スプライン ナット 2がスプライン軸 1に沿って移動すると、前記読取ヘッド 35がリニアスケール 33 に沿って移動しながら磁極の変化に対応したノルス信号を出力し、力かるノルス信 号をモニターすることにより、スプライン軸 1に対するスプラインナット 2の移動量を検 出することが可能となっている。尚、前記リニアスケール 33はマグネットスケールとし て構成する必要はなぐ例えばラダー状のパターンが描かれて、光学的な方法によつ て読み取られるものであって差し支えな 、。

[0027] そして、以上のように構成されたマイクロアクチユエータでは、スプライン軸 1の中空 部 10内に駆動機構としてのリニアモータ 3を完全に内蔵することができ、駆動機構と 案内機構の融合ィ匕を図りつつ、非常にコンパクトなァクチユエータを得ることができた 。特に、スプライン軸 1の軸方向における全長に関しては、リニアモータ 3を構成する マグネットロッド 30を一対のエンドキャップ 5で両端支持して!/、るので、スプラインナツ ト 2のストローク長とスプライン軸 1の全長との間には大差がなぐァクチユエ一タの軸 方向の全長を極めて短くすることが可能であった。また、部品点数も少なぐ組み立 ても極めて容易であり、低コストで生産しうる可能性も見出した。

[0028] 実際に試作したァクチユエータは、その全長が 35mm、ブラケット 36を含めたスプラ インナット 2の最大直径が 12. 2mmであり、スプラインナット 2のストローク長は 17mm であった。また、スプラインナット 2の最大移動速度は 762 (mmZs)であった。

[0029] 尚、図 1乃至図 4に示した例では、スプライン軸 1に対して一対のスリット開口 12, 1 3が形成されていたが、リニアスケール 33の配設位置を検討することで、前記スプラ イン軸 1に形成するスリット開口を一つにすることも可能であり、それによつて一層の 生産コストの低減ィ匕を図ることが可能となる。

[0030] 図 5及び図 6は本発明のマイクロアクチユエータの第二の実施形態を示すものであ り、前述のようにスプライン軸 1に対して一つのスリット開口 14のみを形成した例を示 すものである。図 5は全体斜視図、図 6は視点を図 5と反対側においた全体斜視図で ある。

[0031] 図 5において、スプライン軸 1の外周面の一力所には軸方向に沿ったスリット開口 14 が設けられており、スプラインナット 2はこのスリット開口 14を通してリニアモータ 3を構 成するフォーサ 31と結合されて 、る。

[0032] また、図 6に示すように、前記スプライン軸の外周面には前記スリット開口と 180° 位相をずらした位置に平坦面 60が形成されており、この平坦面 60上にはテープ状 のリニアスケール 61が貼り付けられている。このリニアスケール 61は第一の実施形態 と同様にマグネットスケールとして構成されている。一方、スプラインナット 2にはこのリ ニァスケール 61と対向する位置に読み取りヘッド（図示せず）が固定されており、スプ ラインナット 2がスプライン軸 1に沿って移動すると、この読取ヘッドがリニアスケール 6 1に沿って移動しながら磁極の変化に対応したパルス信号を出力するように構成され ている。

[0033] 尚、その他の構成は第一の実施形態と同一なので、図 5及び図 6中に第一の実施 形態と同一の符号を付し、その説明は省略する。

[0034] そして、このように構成された第二の実施形態に係るマイクロアクチユエータにお!/ヽ ては、スプライン軸 1に対して一力所のスリット開口 14のみが形成されているので、第 一の実施形態と比較してスプライン軸 1の剛性が向上し、スプラインナット 2の移動精 度を高めることが可能となる他、スプライン軸 1の加工が容易となり、低コストで実施す ることが可能となる。また、リニアスケール 61をテープ状とし、スプライン軸 1に設けた 平坦面 60に貼り付けるように構成したので、第一の実施形態に示したワイヤ状のリニ ァスケール 33と比較して容易に配設することができ、スプライン軸 1の移動に対する 測定精度を高めることが可能となる。

[0035] 次に、図 7は本発明のマイクロアクチユエータの第三の実施形態を示すものである。

[0036] この第三の実施形態のマイクロアクチユエータでは、リニアモータ 3の発揮する推力 を高めるため、マグネットロッド 30に遊嵌するフォーサ 37に対して三相一組の励磁コ ィル群を複数組搭載した。このため、フォーサ 37は第二の実施形態のフォーサ 31に 比べてマグネットロッド 30の軸方向へ長く形成されている。また、そのように長尺化し たフォーサ 37を確実に支えるため、スプライン軸 1には一対のスプラインナット 2が軸 方向に間隔をお 、て嵌合しており、各スプラインナット 2がフォーサ 37の長手方向の 両端に結合されている。すなわち、一対のスプラインナット 2はフォーサ 37を介して相 互に結合されており、リニアモータ 3を駆動すると、これらスプラインナット 2の間隔は 変動することなぐマグネットロッド 30を保持したスプライン軸 1がスプラインナット 2に 対して移動することになる。

[0037] 尚、その他の構成は第二の実施形態と同一なので、図 7中に第二の実施形態と 同一の符号を付し、その説明は省略する。

[0038] そして、このように構成された第三の実施形態に係るマイクロアクチユエータによれ ば、フォーサに搭載するコイル群の組数を任意に選択することにより、スプラインナツ トに対してスプライン軸をストロークさせる推力を任意に調整することができ、力かるァ クチユエータを各種用途に使用することが可能となる。また、必要とする推力及びスプ ライン軸のストローク長に応じ、スプライン軸及びフォーサの軸方向長さを選択しさえ すれば良ぐスプラインナットの基本的構造には何ら変更が必要ないので、低コストで 各種用途に対応することが可能となる。すなわち、本発明のマイクロアクチユエータは

、必要とするストローク長が 50cmであっても、あるいは lmであっても、部品点数の減 少、組み立ての容易化、生産コストの低減といった効果を発揮するものである。

Claims

請求の範囲

[1] 中空部を有して筒状に形成されると共に軸方向に沿ってスリット開口が形成されたス プライン軸と、このスプライン軸に嵌合すると共に当該スプライン軸をその軸方向へ案 内するスプラインナットと、前記スプライン軸の両端開口に固定される一対のエンドキ ヤップと、これらエンドキャップによって前記スプライン軸の中空部内に両端支持され るマグネットロッドと、前記スプライン軸の中空部内で前記マグネットロッドの周囲に遊 嵌して当該マグネットロッドと相まってリニアモータを構成すると共に、前記スリット開 口を介して前記スプラインナットと結合されたフォーサと、カゝら構成されることを特徴と するマイクロアクチユエータ。

[2] 前記スリット開口にはその長手方向に沿ってリニアスケールが固定される一方、前記 スプラインナットには前記スリット開口に差し込まれてリニアスケールを読み取るヘッド が固定されて 、ることを特徴とする請求項 1記載のマイクロアクチユエータ。

[3] 前記スリット開口はスプライン軸の中空部を挟んで相対向する位置に一対形成され、 一方のスリット開口は前記フォーサとスプラインナットの結合に利用される一方、他方 のスリット開口は前記リニアスケールの配設に利用されることを特徴とする請求項 2記 載のマイクロアクチユエータ。

[4] 前記スプライン軸の外周面にはボール転走溝が形成され、前記ナット部材はこのボ 一ル転走溝を転走する多数のボールを介して前記スプライン軸に組み付けられてい ることを特徴とする請求項 1記載のマイクロアクチユエータ。

[5] 前記スプライン軸の外周面の一部には軸方向に沿った平坦面を形成し、かかる平坦 面にリニアスケールを固定する一方、前記スプラインナットにはこのリニアスケールを 読み取るヘッドが固定されて 、ることを特徴とする請求項 1記載のマイクロアクチユエ ータ。

[6] 前記スプライン軸には軸方向に間隔をおいて一対のスプラインナットが嵌合し、これ らスプラインナットは前記フォーサの長手方向の両端に結合されていることを特徴と する請求項 1記載のマイクロアクチユエータ。