(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に直線運動でき、かつ軸線の回りを回転運動できる軸部材と、
前記軸部材を囲む中空の回転子と、
前記回転子を収容する空間が形成されると共に、前記回転子を軸線の回りを回転させる回転モータの固定子と、
前記回転子と一緒に回転して前記回転モータの回転子の回転を前記軸部材に伝えると共に、前記軸部材が直線運動するのを許容する直動軸受と、
前記回転子の回転角度を測定する角度測定装置と、
前記角度測定装置が測定した前記回転モータの回転子の回転角度が指令値に一致するように、前記回転モータを制御する回転モータ用ドライバと、を備え、
前記軸部材は、軸線方向に伸びる転動体転走部を有するスプライン軸であり、
前記直動軸受は、前記スプライン軸の前記転動体転走部に対向する負荷転動体転走部を含む転動体循環路、及びこの転動体循環路に配列される複数の転動体を有するスプラインナットであり、
前記スプラインナットは、前記回転モータの固定子を挟んで二個設けられ、
前記回転モータの回転子の回転角度を制御することによって、前記軸部材の回転角度を制御する直線・回転複合アクチュエータシステム。
【請求項２】
前記直線・回転複合アクチュエータシステムはさらに、
前記回転モータの固定子が取り付けられるハウジングと、
前記回転子の軸線方向の両端部と前記ハウジングとの間に設けられ、前記回転子が軸線の回りに回転するのを案内する一対の軸受と、を備え、
前記回転子は、前記回転モータの固定子によって回転駆動される本体部と、前記本体部の端部に連結され、前記スプラインナットが収容されるスプラインナット収容部と、を有し、
前記本体部の回転を前記スプラインナット収容部に伝動することができ、かつ前記本体部に対して前記スプラインナット収容部が軸線方向に移動できる遊びがあるように、前記本体部が前記スプラインナット収容部に嵌合することを特徴とする請求項１に記載の直線・回転複合アクチュエータシステム。
【請求項３】
前記回転子が前記一対の軸受の内輪の軸線方向の内側に当接し、
前記ハウジングが前記一対の軸受の外輪の軸線方向の外側に当接し、
前記一対の軸受のそれぞれは、前記回転子と前記ハウジングとの間に軸線方向に挟まれることを特徴とする請求項２に記載の直線・回転複合アクチュエータシステム。
【請求項４】
前記直線・回転複合アクチュエータシステムはさらに、
前記回転モータの固定子が取り付けられるハウジングと、
前記回転子の軸線方向の両端部と前記ハウジングとの間に設けられ、前記回転子が軸線の回りに回転するのを案内する一対の軸受と、を備え、
前記回転子は、前記回転モータの固定子によって回転駆動される本体部と、前記スプラインナットの軸線方向の一端部が収容されるスプラインナット一端部収容部と、前記スプラインナットの軸線方向の他端部が収容されるスプラインナット他端部収容部と、を有し、
前記スプラインナット他端部収容部は、径違いの大径部及び小径部を有し、
前記スプラインナット他端部収容部の大径部に前記スプラインナットの前記他端部が収容され、
前記スプラインナット他端部収容部の小径部の外周面と前記ハウジングとの間に、前記一対の軸受のいずれか一方が配置されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の直線・回転複合アクチュエータシステム。
【請求項５】
二つの前記スプラインナットが前記スプライン軸に対して互いに反対方向にねじられた状態で前記回転子に収容されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の直線・回転複合アクチュエータシステム。
【請求項６】
前記回転モータは、周方向にＮ極及びＳ極の磁極が形成されるように複数の永久磁石を有する前記回転モータの回転子と、前記複数の永久磁石に対向する前記回転モータの固定子としての複数のコイルと、を有する回転同期モータであり、
前記角度測定装置は、前記回転モータの回転子にトルクを発生させる駆動用の前記複数の永久磁石の磁界を検出することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の直線・回転複合アクチュエータシステム。
【請求項７】
前記角度測定装置は、
磁界の方向によって抵抗値が変化する磁気抵抗素子を有し、前記回転モータの回転子の回転運動によって生ずる前記複数の永久磁石の磁界の方向の変化に伴って、９０度の位相差を持つ正弦波状信号及び余弦波状信号を出力する磁気センサと、
前記正弦波状信号及び前記余弦波状信号に基づいて、前記回転モータの固定子に対する前記回転子の回転角度を算出する角度算出回路と、を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の直線・回転複合アクチュエータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具等の移動体をＺ軸方向へ直線運動させ、かつＺ軸の回りのθ方向に回転運動させる直線・回転複合アクチュエータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ロボットには、移動体をＺ軸方向に移動させ、かつＺ軸の回りをθ方向に回転させる直線・回転複合アクチュエータが組み込まれる場合がある。例えば、チップマウンタのヘッド軸には、電子部品を吸着する吸着パッド、工具等の移動体をＺ軸方向に直線運動させ、かつＺ軸の回りを回転させることが要求される。移動体のＺ軸方向への直線運動は、プリント基板の表面に電子部品を実装するのに必要になり、移動体のθ方向への回転運動は、電子部品の回転角度を位置決めするのに必要になる。
【０００３】
直線運動と回転運動が可能な直線・回転複合アクチュエータとして、特許文献１には、リニアパルスモータとロータリパルスモータとを軸線方向に結合したリニア・ロータリ複合型パルスモータが開示されている。このリニア・ロータリ複合型パルスモータにおいて、ロータリパルスモータの回転子が中空軸にされ、該中空軸内に回り止め機構付きのスプライン軸受が配置される。リニアパルスモータの移動子軸はスプライン軸受内を摺動自在に貫通し、リニアパルスモータは移動子軸をＺ軸方向に直線運動させる。ロータリパルスモータの回転方向の出力は、スプライン軸受を介して移動子軸に伝動される。移動子軸は、ロータリパルスモータによってθ方向に回転運動させられる。
【０００４】
このリニア・ロータリ複合型パルスモータにおいては、移動子軸の櫛歯と固定子の櫛歯とが対向するリニアステッピングモータを採用しているので、移動子軸と固定子のエアギャップを小さい一定の値に管理しなければならない。
【０００５】
移動子軸と固定子との間のエアギャップの管理を容易にすべく、特許文献２には、リニアパルスモータの替わりにリニア同期モータを採用したリニア・ロータリ複合型モータが開示されている。このリニア同期モータは、軸線方向に磁化された一個以上の永久磁石を有する移動子軸と、移動子軸を囲み、軸線方向に積層される複数のコイルからなる固定子と、を備える。リニア同期モータの軸線方向の一方の端部には、回転モータが結合される。回転モータのトルクは、すべり軸受を介して移動子軸に伝動される。移動子軸に回転を伝動できるように、すべり軸受の案内孔は断面四角形に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２３７９３１号公報
【特許文献２】特開２００６−３１１７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１及び特許文献２に記載のリニア・ロータリ複合型モータにおいては、移動子軸を回転させるのにロータリパルスモータが用いられている。このロータリパルスモータは、オープンループ制御され、与えられたパルス数に比例した一定の角度だけ移動子軸を回転させる。しかし、オープンループ制御されるロータリパルスモータであるがゆえ、脱調、振動、高速回転が困難という問題がある。
【０００８】
そこで本発明の目的は、クローズドループ制御で移動子軸の回転角度を制御できる直線・回転複合アクチュエータシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、軸線方向に直線運動でき、かつ軸線の回りを回転運動できる軸部材と、前記軸部材を囲む中空の回転子と、前記回転子を収容する空間が形成されると共に、前記回転子を軸線の回りを回転させる回転モータの固定子と、前記回転子と一緒に回転して前記回転モータの回転子の回転を前記軸部材に伝えると共に、前記軸部材が直線運動するのを許容する直動軸受と、前記回転子の回転角度を測定する角度測定装置と、前記角度測定装置が測定した前記回転モータの回転子の回転角度が指令値に一致するように、前記回転モータを制御する回転モータ用ドライバと、を備え、前記軸部材は、軸線方向に伸びる転動体転走部を有するスプライン軸であり、前記直動軸受は、前記スプライン軸の前記転動体転走部に対向する負荷転動体転走部を含む転動体循環路、及びこの転動体循環路に配列される複数の転動体を有するスプラインナットであり、前記スプラインナットは、前記回転モータの固定子を挟んで二個設けられ、前記回転モータの回転子の回転角度を制御することによって、前記軸部材の回転角度を制御する直線・回転複合アクチュエータシステムである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、中空の回転子の回転角度を測定する角度測定装置を設け、軸線方向に移動することのない回転モータの回転子の回転角度を制御することによって、軸線方向に移動する軸部材の回転角度を制御するので、軸部材の回転角度の制御が容易になる。これに対し、もし軸部材の回転角度を直接的に角度測定装置で測定すると、軸部材は回転するだけでなく軸線方向にも直線運動するので、軸部材の軸線方向の移動範囲をカバーする細長い角度測定装置が必要になるという問題が生ずる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第一の実施形態の直線・回転複合アクチュエータの斜視図
【図２】リニアモータの斜視図（一部断面を含む）
【図３】コイルホルダに保持されたコイルユニットを示す斜視図
【図４】リニアモータの作動原理を示す図
【図５】回転モータの斜視図
【図６】回転モータの断面図
【図７】ハウジングを取り外した状態の回転モータの斜視図
【図８】スプラインナットを示す斜視図（一部断面を含む）
【図９】第一の筒状部材の斜視図
【図１０】第二の筒状部材の斜視図
【図１１】回転モータの永久磁石及びコイルの側面図
【図１２】本発明の第二の実施形態における直線・回転複合アクチュエータの回転モータの斜視図
【図１３】図１２の回転モータの断面図
【図１４】図１３のXVI部拡大図
【図１５】軸受固定部の詳細図
【図１６】嵌合部の斜視図
【図１７】二つのスプラインナットをねじってスプライン軸に組み付けた状態を示す斜視図
【図１８】本発明の一実施形態における直線・回転複合アクチュエータシステムのシステム構成図
【図１９】回転モータの制御系のブロック図
【図２０】磁気センサと回転子との位置関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
添付図面に基づいて本発明の第一の実施形態における直線・回転複合アクチュエータを詳細に説明する。図１は直線・回転複合アクチュエータの斜視図を示す。この直線・回転複合アクチュエータは直線駆動と回転駆動が可能な複合アクチュエータであり、リニアモータ１と回転モータ２とを軸線方向に結合させてなる。直線・回転複合アクチュエータのハウジング１ａ，２ａには、軸線方向に直線運動可能にかつ軸線の回りを回転可能に軸部材３が支持される。軸部材３は、リニアモータ１の移動子軸としてのロッド５と、スプライン軸４と、を軸線方向に接続させてなる。リニアモータ１が軸部材３を直線運動させ、回転モータ２が軸部材３を回転運動させる。軸部材３の長手方向の一端部３ａはハウジングから露出する。この軸部材３の一端部３ａには、吸着パッド、工具等の移動体が取り付けられる。直線・回転複合アクチュエータは一軸のみで使用されてもよいし、作業効率を上げるために多軸、すなわち複数の直線・回転複合アクチュエータを軸部材３が平行になるように組み合わせた状態で使用されてもよい。
【００１３】
図２はリニアモータ１の斜視図（一部断面を含む）を示す。図２に示されるように、リニアモータ１は、Ｎ極及びＳ極が軸線方向に交互に形成されるように複数の永久磁石６が配列される移動子軸としてのロッド５と、ロッド５を囲み、ロッド５の軸線方向に積層される固定子としての複数のコイル１２と、複数のコイル１２が収容されるハウジング１ａと、を備えるリニア同期モータ１である。コイル１２は３つでＵ・Ｖ・Ｗ相からなる一組の三相コイル１２となる。永久磁石６に発生する磁界と三相コイル１２に流す三相交流電流によって、ロッド５が直線運動するための推力が発生する。
【００１４】
リニアモータ１のロッド５は、ハウジング１ａにロッド５の軸線方向に移動可能に支持される。コイルユニットはコイルホルダ７に保持される。コイルユニット及びコイルホルダ７はハウジング１ａに収容される。ロッド５は、例えばステンレス等の非磁性材からなり、中空空間を有する。ロッド５の中空空間には、円柱状の複数の永久磁石６が互いに同極が対向するように、すなわちＮ極とＮ極が、Ｓ極とＳ極とが対向するように積層される。永久磁石６の間には、例えば鉄等の磁性体からなるポールシュー９が介在される。
【００１５】
コイル１２は銅線を環状に巻いたもので、コイルホルダ７に保持されている。図３は、コイル１２、及びコイル１２を保持するコイルホルダ７の詳細図を示す。コイルホルダ７は樹脂の射出成形品であり、コイル１２の配列方向に細長く伸びる板状のホルダ本体部７ａと、ホルダ本体部７ａから垂下する薄肉の複数のスペーサ部７ｂとから構成される。隣接するコイル１２同士を絶縁する必要があるので、コイル１２間には絶縁材として樹脂製のスペーサ部７ｂが介在される。スペーサ部７ｂはコイル１２の正面形状と同様に円環形状に形成される。ホルダ本体部７ａの上面には、プリント基板８が取り付けられる。ホルダ本体部７ａの側面には、射出成形するときにコイルホルダ７を金型に固定するための突起７ｃ（図３参照）が設けられる。射出成形時の圧力により、コイルホルダ７がずれるのを防止するためである。リード線１２ａをプリント基板８のスルーホール（図３にはスルーホールにコイル１２のリード線１２ａが半田付けされた状態が示されている）まで導くために、ホルダ本体部７ａにはプリント基板８のスルーホールと同じ位置に複数の配線用孔が空けられる。
【００１６】
この実施形態では、コイル１２及びコイルホルダ７を射出成型の金型にセットし、溶融した樹脂又は特殊セラミックスを金型内に流すインサート成形によって、ハウジング１ａが形成される。成形品を金型から取り出すと、コイル１２の周囲がハウジング１ａで覆われている状態になる。インサート成形によってハウジング１ａを形成することで、ハウジング１ａの肉厚を薄くできるという利点がある。ハウジング１ａには、リニアモータ１を例えばチップマウンタのヘッドに取り付けるための取付け部としてねじ孔１ｂ（図２参照）が後加工される。またハウジング１ａには、ヘッドに対するハウジング１ａの位置決めをするためのピンが挿入される位置決め穴１ｃが開けられる。コイル１２との絶縁を保つ必要があるため、ハウジング１ａの材料には絶縁性の高い樹脂が使用される。ハウジング１ａには、放熱性を高めるためにフィン１ｄが形成される。
【００１７】
ロッド５はリニアモータ１の作動中、コイル１２内で浮いている状態になっている。ロッド５の直線運動及び回転運動を案内するために、ロッド５の軸線方向におけるハウジング１ａの両端部には、すべり軸受として樹脂製のブッシュ１０が設けられる。ブッシュ１０とロッド５との間のすきまは、コイル１２とロッド５との間のすきまよりも小さく設定される。ブッシュ１０は、コイル１２とロッド５とが接触するのを防止する役割を持つ。ブッシュ１０は、ハウジング１ａの両端に一体に成形されたエンド部材１１に取り付けられる。リニアモータとしてリニア同期モータを用いることで、コイル１２とロッド５との間のすきまの管理が容易になる。このため、直動軸受と回転軸受を組み合わせる必要もなくなり、ブッシュ１０によってロッド５の直線運動及び回転運動を案内することが可能になる。一対のブッシュ１０を設けることで、ストロークが長い場合でも、永久磁石６の吸引によるロッド５の撓みを解消することができる。なお、この実施形態では、ハウジング１ａの両端部にブッシュ１０を設けているが、移動体に近い側にスプラインナット１４が配置されるので、回転モータ２に近い側のブッシュ１０を省略することもできる。
【００１８】
図４はリニアモータ１の作動原理の概念図を示す。ロッド５の周囲には、ロッド５を囲む複数のコイル１２が積層される。コイル１２は３つでＵ・Ｖ・Ｗ相からなる一組の三相コイルとなる。三相コイル１２を複数組み合わせてコイルユニットが構成される。三相コイル１２に１２０度ずつ位相が異なる三相交流電流を流すと、コイル１２の軸線方向に移動する移動磁界が発生する。ロッド５は移動磁界により推力を得て、移動磁界の速さと同一の速さでコイル１２に対して相対的に直線運動を行う。
【００１９】
図５は回転モータ２の斜視図を示す。回転モータ２のハウジング２ａにはスプライン軸４が回転可能に収納される。スプライン軸４の端部はロッド５の端部に互いの軸線を一致させた状態で結合される。スプライン軸４はロッド５によって軸線方向に駆動され、回転モータ２によって回転駆動される。
【００２０】
図６は回転モータ２の断面図を示し、図７はハウジング２ａから取り出した回転モータ２の斜視図を示す。回転モータ２のハウジング２ａはリニアモータ１のハウジング１ａに結合される。図６に示されるように、ハウジング２ａにはスプライン軸４が回転可能にかつ直線運動可能に収容される。スプライン軸４の一方の端部４ａ（図６左側）にはリニアモータ１のロッド５に接続され、他方の端部４ｂ（図６右側）には移動体が取り付けられる。スプライン軸４は、ねじ等の接合手段によってロッド５に接合されてもよいし、ロッド５と一体であってもよい。スプライン軸４の外周面には軸線方向に伸びるボール転走溝が形成され、スプライン軸４にはスプライン軸４が直線運動するのを案内するスプラインナット１４が組み付けられる（図８参照）。スプラインナット１４は筒状の回転子１６に収容され、回転子１６と一緒に回転する。ハウジング２ａには、回転子１６を収容する空間が形成される固定子３５が取り付けられる。回転子１６の軸線方向の両端部とハウジング２ａとの間には、回転子１６が軸線の回りに回転するのを案内する一対の軸受３１が取り付けられる。
【００２１】
回転子１６は、回転モータ２の固定子３５によって回転駆動される本体部１６ｃと、本体部に連結され、スプラインナット１４の軸線方向の一端部が収容されるスプラインナット一端部収容部１６ｂと、スプラインナット１４の移動体側の軸線方向の他端部が収容されるスプラインナット他端部収容部１６ａと、から構成される。この実施形態では、本体部１６ｃとスプラインナット一端部収容部１６ｂとは一体である。スプラインナット他端部収容部１６ａは、スプラインナット一端部収容部１６ｂからスプラインナット１４が抜けるのを防止する。スプラインナット他端部収容部１６ａとスプラインナット一端部収容部１６ｂとの間には、軸線方向にすきまが空いている。回転子１６の本体部１６ｃの外周面には、周方向にＮ極及びＳ極の磁極が交互に形成されるように複数の永久磁石２２が貼り付けられる。
【００２２】
ハウジング２ａに取り付けられる回転モータ２の固定子３５は、永久磁石２２に対向する三相コイル２１と、筒状のヨーク３２と、からなる。三相コイル２１に三相交流電流を流すと回転子１６が回転する。回転子１６が回転すると回転子１６と一緒にスプラインナット１４が回転する。スプラインナット１４が回転するとスプラインナット１４に組み付けられるスプライン軸４が回転する。
【００２３】
回転モータ２のハウジング２ａは、スプラインナット１４が収容されるナットハウジング２ａ１と、回転モータ２が収容されるモータハウジング２ａ２とを軸線方向に結合させてなる。ナットハウジング２ａ１は、円筒形状に形成され、軸線方向の両端部にフランジ２３を有する。ナットハウジング２ａ１の中央の小径部にスプラインナット１４が収容される。一方、モータハウジング２ａ２は中空の筒形状に形成される。モータハウジング２ａ２の内側に回転モータ２の固定子３５が固定される。
【００２４】
図８は、スプライン軸４に係合するスプラインナット１４を示す。スプライン軸４の外周面には、長手方向に伸びる転動体転走部として複数条のボール転走溝４ａが形成される。スプラインナット１４の内周面にはスプライン軸４の複数条のボール転走溝４ａに対向する複数条の負荷ボール転走溝１４ｃが形成される。スプライン軸４は中実又は中空丸棒からなる。スプライン軸４の外周面のボール転走溝４ａの断面形状はボール２５の曲率よりも若干大きいサーキュラーアーク溝形状に形成される。スプライン軸４の材質には、好ましくは軸受け鋼、炭素工具鋼などの焼入れに適した材質が用いられる。
【００２５】
スプライン軸４の外周面にボール転走溝４ａを形成することによって、例えばスプライン軸４の先端の工具にスプライン軸４の軸線に直交する方向の荷重がかかったり、軸線回りのモーメント荷重がかかったりする場合でも、これらの荷重を負荷できるようになる。また、スプラインナット１４にかかるトルクをスプライン軸４に伝動することが可能になる。さらに、スプライン軸４の案内の精度を上げることができ、移動体を正確に位置決めすることができる。
【００２６】
スプラインナット１４とスプライン軸４との間に介在されるボール２５は、一般の軸受けに用いられる転動体と同様に鋼製である。スプラインナット１４は中空の筒体に形成される。スプラインナット１４の内径には、軸線方向に伸びる負荷ボール転走溝１４ｃが形成される。スプラインナット１４の材質には、好ましくは軸受け鋼、炭素工具鋼などの焼入れに適した材質が用いられる。スプラインナット１４には保持器２６が組み込まれる。保持器２６には、スプラインナット１４の負荷ボール転走溝１４ｃの条数に合わせた条数の転動体循環路として複数のボール循環路２７が形成される。ボール循環路２７は、スプラインナット１４の負荷ボール転走溝１４ｃに沿った負荷ボール転走路２７ａ、負荷ボール転走路２７ａと平行に伸びるボール戻し通路２７ｂ、負荷ボール転走路２７ａの端とボール戻し通路２７ｂの端とを接続する円弧形状の方向転換路２７ｃとでサーキット状に構成される。ボール２５はスプラインナット１４の負荷ボール転走溝１４ｃとスプライン軸４のボール転走溝４ａに接触しながら転がり運動し、ボール循環路２７を循環する。保持器２６は、ボール循環路２７に配列・収容されたボール列を循環可能に保持し、スプラインナット１４をスプライン軸４から外したときにボール２５が脱落するのを防止する。この保持器２６は、止め輪２９によってスプラインナット１４の所定位置に固定される。
【００２７】
図９はスプラインナット他端部収容部１６ａの斜視図を示す。スプラインナット他端部収容部１６ａは、径違いの大径部１６ａ１及び小径部１６ａ２を有する。スプラインナット他端部収容部１６ａの大径部１６ａ１の内側には、スプラインナット１４の軸線方向の他端部１４ａが収容される。スプラインナット他端部収容部１６ａとスプラインナット１４とはねじ止め又は接着により一体にされる。スプラインナット他端部収容部１６ａの小径部１６ａ２の外側には軸受３１（図７参照）が嵌め込まれる。図６に示されるように、軸受３１は、外輪３１ａ、内輪３１ｂ及びこれらの間に転がり運動可能に介在されるボール３１ｃを備える。この軸受３１はスプラインナット他端部収容部１６ａを回転可能に支持する。軸受３１には例えば深溝玉軸受が用いられる。軸受３１はナットハウジング２ａ１のフランジ２３に嵌められた後、蓋部材３４によってナットハウジング２ａ１に固定される。蓋部材３４の替わりに止め輪で軸受３１をナットハウジング２ａ１に固定してもよい。
【００２８】
図１０は、回転子１６の本体部１６ｃ及びスプラインナット一端部収容部１６ｂの斜視図を示す。本体部１６ｃは、スプラインナット一端部収容部１６ｂよりも小径に形成される。スプラインナット一端部収容部１６ｂの内側には、スプラインナット１４の軸線方向の一端部１４ｂが収容される（図６参照）。スプラインナット一端部収容部１６ｂとスプラインナット１４とはねじ止め又は接着により一体にされる。図７に示されるように、本体部１６ｃの外周面には周方向に複数の永久磁石２２が貼り付けられる。この永久磁石２２に周方向に配列された複数のコイル２１が対向する。本体部１６ｃの軸線方向の他端部には軸受３１が嵌め込まれる。軸受３１はスプラインナット他端部収容部１６ａを支持する軸受３１と同一の構成である。図６に示されるように、軸受３１はモータハウジング２ａ２の一端部に嵌められた後、蓋部材３３によってモータハウジング２ａ２に固定される。蓋部材３３の替わりに止め輪で軸受を固定してもよい。
【００２９】
図１１は、回転モータ２の複数の永久磁石２２及び複数の永久磁石２２に対向する複数のコイル２１を示す。回転モータ２は、複数の永久磁石２２に複数のコイル２１が対向する回転同期モータである。回転同期モータを使用することで、櫛歯を必要とするステッピングモータを使用する場合に比べ、半径方向の寸法を小さくすることができ、またすきまの管理も容易になる。各永久磁石２２は細長い板状に形成される。各永久磁石２２は半径方向に着磁、すなわち外周面側がＮ極及びＳ極の一方に着磁され、内周面側がＮ極及びＳ極の他方に着磁される。複数の永久磁石２２は周方向にＮ極及びＳ極が交互に形成されるように配列される。円筒状に配列された永久磁石２２は鉄等の磁性材料からなる筒状のヨーク３２に囲まれる。ヨーク３２には半径方向の内側に突出するコア３２ａ（図７参照）が形成される。コア３２ａはヨーク３２の軸線方向に細長く伸びる。コア３２ａにはコイル２１が巻かれる。コイル２１は銅線を環状に巻いたものであり、長方形の枠状に形成される。コイル２１は３つで一組のＵ・Ｖ・Ｗ相からなる三相コイル２１となる。この実施形態ではコイル２１の数は六個であり、二組の三相コイル２１が構成される。三相コイル２１に三相交流電流を流すと、円筒状に配列された永久磁石２２の周方向に回転磁界が発生する。永久磁石２２が取り付けられる回転子１６は回転磁界によってトルクを得て、その軸線の回りを回転する。
【００３０】
回転子１６に配列される複数の永久磁石２２は、回転子１６を回転させるためのトルクを発生させる駆動用の永久磁石２２である。図１１に示されるように、回転子１６の回転角度を測定する磁気センサ５１は、駆動用の永久磁石２２の軸線方向の端部が発生する磁界を検出する。磁気センサ５１の特性については後述する。基板に実装された磁気センサ５１は箱形状の収納容器４２に収められた後、その周囲が充填剤で埋められる。図５に示されるように、収納容器４２は止めねじによってハウジング２ａに固定される。磁気センサ５１は温度特性を持ち、温度の変化によって出力が変化する。コイル２１から発生する熱の影響を低減するため、収納容器４２及び充填剤には、ハウジング２ａよりも熱伝導率の低い材料が使用される。例えば、ハウジングにはエポキシ系の樹脂が使用され、収納容器４２及び充填剤にはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）が使用される。
【００３１】
図１に示されるように、本実施形態によれば、直線・回転複合アクチュエータを構成する構成部品が移動体に近い側からトルク伝達用のスプラインナット１４、ロータリパルスモータ２、リニア同期モータ１の順番になる。移動体に最も近い位置にスプラインナット１４が配置されるので、移動体にかかる荷重やモーメントを負荷することができ、移動体を正確に位置決めできる。また、スプラインナット１４の回転運動を移動体に近い位置の軸受３１（図６参照）で支持することで、移動体からスプライン軸４にかかる荷重やモーメントをより確実に受けることができる。スプラインナット１４の隣に回転モータ２を配置し、回転モータ２の隣にリニアモータ１を配置するので、スプラインナット１４と一体の回転子１６を回転させ、スプラインナット１４によって案内されるスプライン軸４を軸線方向に移動させることが可能になる。
【００３２】
スプラインナット１４がスプラインナット他端部収容部１６ａの大径部１６ａ１の内側に配置され、軸受がスプラインナット他端部収容部１６ａの小径部１６ａ２の外側に配置されるので、スプラインナット１４及び軸受３１が半径方向に積層されることがない。また、スプラインナット１４がスプラインナット一端部収容部１６ｂの内側に配置され、回転モータ２が本体部１６ｃの外側に配置されるので、スプラインナット１４及び回転モータ２も半径方向に積層されることがない。このため、直線・回転複合アクチュエータの半径方向の寸法をコンパクトにできる。
【００３３】
さらに、回転モータ２及びスプラインナット１４を組み合わせた部分の両端部にのみ一対の軸受３１を配置し、回転子１６を本体部１６ｃ及びスプラインナット一端部収容部１６ｂ側と、スプラインナット他端部収容部１６ａ側とに二分割することで、回転モータ２の組み立てが容易になる。
【００３４】
図１２は、本発明の第二の実施形態における直線・回転複合アクチュエータの回転モータの斜視図を示す。第一の実施形態における直線・回転複合アクチュエータの回転モータと同様に、ハウジング８１には、スプライン軸８２が回転運動可能かつ直線運動可能に収容される。スプライン軸８２の両端部はハウジング８１から突出している。スプライン軸８２の一方の端部８２ａはリニアモータ１のロッド５に接続され、スプライン軸８２の他方の端部８２ｂは移動体に接続される。ハウジング８１は、スプラインナットが収容されるナットハウジング８３と、回転モータの固定子が収容されるモータハウジング８４とに二分割される。ナットハウジング８３の四角形のフランジ８３ａのコーナ部には、ナットハウジング８３をモータハウジング８４にねじで固定するとき、ドライバやレンチをねじに向かって真っ直ぐ（図中破線方向）に入れることができるよう円弧形状の逃げ８３ｂが形成される。
【００３５】
回転モータ８０単体で見た場合、スプライン軸８２が回転モータ８０の回転軸になる。スプライン軸８０は軸線方向に自由に移動することができ、スプライン軸８０の直線運動はスプラインナットによって案内される。
【００３６】
図１３は、回転モータ８０の断面図を示す。この実施形態の回転モータでは、移動体側（図１３左側）のスプラインナット８６に加えて、第二のスプラインナット８７が追加されている。第二のスプラインナット８７は、回転モータの固定子よりもリニアモータ側（図１３右側）に配置される。スプラインナット８６及び第二のスプラインナット８７は、中空の回転子８８に収容されていて回転子８８と一緒に回転する。スプラインナット８６及び第二のスプラインナット８７には、直線運動可能にスプライン軸８２が組み付けられている。スプライン軸４の外周面には、第一の実施形態のスプライン軸と同様に軸線方向に伸びるボール転走溝が形成される。回転子８８の回転はスプラインナット８６及び第二のスプラインナット８７を介してスプライン軸８２に伝動される。
【００３７】
ハウジング８１には、回転モータの固定子９２が取り付けられる。回転子８８の軸線方向の両端部とハウジングとの間には一対の軸受９３が配置され、回転子８８の回転運動は一対の軸受９３によって案内される。回転子８８は、回転モータの固定子９２によって回転駆動される本体部８９と、スプラインナット８６が収容されるスプラインナット収容部９１と、第二のスプラインナット８７が収容される第二のスプラインナット収容部９０と、から構成される。本体部８９の外周面には第一の実施形態の本体部と同様に、周方向に複数の永久磁石８９ａが貼り付けられる。ハウジング８１には、本体部８９の回転角度を検知する磁気センサ９４が取り付けられる。スプラインナット収容部９１及び第二のスプラインナット収容部９０は、本体部８９の軸線方向の両端部に連結される。
【００３８】
図１４は、本体部８９とスプラインナット収容部９１（及び第二のスプラインナット８７）との嵌め合い構造の詳細図を示す。スプラインナット収容部９１には、半径の異なる二つの半円を組み合わせた異形の孔９１ａが形成され、本体部８９には、孔９１ａの大径の半円に嵌まる半円状の突起８９ｂが形成される。本体部８９の突起はスプラインナット収容部９１の孔９１ａに歯車のように噛み合うので、本体部８９の回転をスプラインナット収容部９１に伝動することができる。また、本体部８９とスプラインナット収容部９１との間には、本体部８９からスプラインナット収容部９１に回転を伝動しながら、本体部８９に対してスプラインナット収容部９１が軸線方向に移動できるように遊びがある。もちろん、本体部８９とスプラインナット収容部９１の嵌め合い構造は、本体部８９の回転をスプラインナット収容部９１に伝動することができ、本体部８９とスプラインナット収容部９１との間に軸線方向の遊びがあるものであれば、上記の異形の孔９１ａと半円形の突起８９ｂに限られることはない。本体部８９と第二のスプラインナット収容部９０も同一の嵌め合い構造である。
【００３９】
図１３に示されるように、スプラインナット収容部９１は、本体部８９に連結され、スプラインナット８６の軸線方向の一端部が収容されるスプラインナット一端部収容部９１ｂと、スプラインナット８６の軸線方向の他端部が収容されるスプラインナット他端部収容部９１ａと、に二分割される。第二のスプラインナット収容部９０も、本体部８９に連結され、第二のスプラインナット８７の軸線方向の一端部が収容される第二のスプラインナット一端部収容部９０ｂと、第二のスプラインナット８７の軸線方向の他端部が収容される第二のスプラインナット他端部収容部９０ａと、に二分割される。スプラインナット収容部９１及び第二のスプラインナット収容部９０は袋状の大径部を有し、この大径部にスプラインナット８６及び第二のスプラインナット８７が収容される。スプラインナット収容部９１及び第二のスプラインナット収容部９０の小径部の外周面には、一対の軸受９３が配置される。
【００４０】
回転モータを組み立てるときは、まず、本体部８９の周囲に複数の永久磁石８９ａを貼り付ける。次に、スプラインナット８６を二分割されたスプラインナット収容部９１で覆い、第二のスプラインナット８７を第二のスプラインナット収容部９０で覆う。次に、本体部８９の両端部にスプラインナット収容部９１及び第二のスプラインナット収容部９０を連結する。次に、スプラインナット収容部９１及び第二のスプラインナット収容部９０の外側に一対の軸受９３を嵌め込む。このように回転子８８を組み立てた状態で、回転子８８をハウジング８１内に挿入する。その後、ハウジング８１の両端部に蓋９５，９６を取り付けることで、組み立てが完了する。
【００４１】
回転モータ８０を組み立てる際、軸受９３はハウジング８１側からも位置決めされ、回転子８８側からも位置決めされることになる。回転子８８やハウジング８１に寸法誤差が生じると、軸受９３に寸法誤差が集中するので、軸受９３の玉に押し潰す力が作用してしまい、軸受９３の円滑な回転を阻害する。本実施形態によれば、回転子８８の本体部８９とスプラインナット収容部９１（及び第二のスプラインナット収容部９０）とを上述の嵌め合い構造にすることで、回転子８８側で寸法誤差を吸収することができ、ハウジング８１に合わせて一対の軸受９３を正確に位置決めすることができる。また、コイルを含む回転モータの固定子９２が発熱したとき、ハウジング８１側は回転子８８側よりも高熱になる。アルミ製のハウジング８１の熱膨張係数が鋼製の回転子８８の線膨張係数よりも大きいのと相俟って、ハウジング８１の熱膨張量は回転子８８のそれよりも大きくなる。上述の嵌め合い構造にすることで、このハウジング８１の熱膨張も吸収することができる。
【００４２】
図１５及び図１６は、軸受９３の固定部の詳細図を示す。一対の軸受９３の内輪９３ｂの内側９３ｂ１に回転子８８が当接し、一対の軸受９３の外輪９３ａの外側９３ａ１にハウジング８１が当接する（当接箇所を破線の円で示す）。そして、一対の軸受９３は、回転子８８とハウジング８１との間に挟まれる。こうすることで、回転モータの固定子９２の熱によってハウジング８１が軸線方向に伸びたとき、ハウジング８１の当接部が回転子８８の接触部から離れる方向に移動するので、軸受９３に玉を押し潰す力が作用するのを防止することができる。
【００４３】
本実施形態によれば、スプラインナット８６，８７を回転モータの固定子９２を挟んで二個使用しているので、スプラインナット８６を一個使用した場合に比べ、スプライン軸８２の振れをより防止することができ、スプライン軸８２の剛性をより高めることができる。このため、サーボループの応答性を良くするために回転モータやリニアモータのゲインを上げた場合でも、スプライン軸８２が震えてしまうのを防止でき、応答性の高いサーボループを実現できる。
【００４４】
図１７は、スプライン軸８２の剛性をさらに高めた例を示す。この例では、スプラインナット８６及び第二のスプラインナット８７がスプライン軸８２に対して互いに反対方向にねじられた状態で回転子８８に固定される。図中上側のスプラインナット８６はスプライン軸８２に対して時計方向のトルクを与えられた状態で、下側の第二のスプラインナット８７は反時計方向のトルクを与えられた状態で回転子８８に固定される。スプラインナット８６及び第二のスプラインナット８７に収容されるボールが互いに反対方向に圧縮されるので、ボールに予圧を付与した状態を保つことができ、スプライン軸８２の周方向の剛性を向上させることができる。
【００４５】
図１８は本発明の一実施形態における直線・回転複合アクチュエータシステムを示す。この直線・回転複合アクチュエータシステムは、回転モータ制御系及びリニアモータ制御系から構成される。回転モータ制御系は、回転モータ２の回転子１６の回転角度を検出する磁気センサ５１と、磁気センサ５１が出力する信号を内挿処理する角度算出回路としてのインターポレータ５２と、インターポレータ５２が算出した回転角の信号に基づいて回転モータ２を制御する回転モータ用ドライバ５６と、から構成される。回転モータ用ドライバ５６は、回転子１６の回転角度が指令値に一致するように回転モータ２を制御する。磁気センサ５１とインターポレータ５２とはエンコーダケーブル５８によって接続され、回転モータ２のコイル２１と回転モータ用ドライバ５６の電力変換器とは動力ケーブル５９によって接続される。インターポレータ５２及び回転モータ用ドライバ５６は、制御盤６０に収容される。
【００４６】
リニアモータ制御系も同様に、リニアモータ１のロッド５の軸線方向の位置を検出する磁気センサ５４と、磁気センサ５４が出力する信号を内挿処理する位置算出回路５５と、位置算出回路５５が算出した位置の信号に基づいてリニアモータ１を制御するリニアモータ用ドライバ５７と、から構成される。リニアモータ用ドライバ５７は、ロッド５の位置が指令値に一致するようにリニアモータ１を制御する。磁気センサ５４と位置算出回路５５とはエンコーダケーブル６１によって接続される。リニアモータ１のコイル１２とリニアモータ用ドライバ５７の電力変換器とは動力ケーブル６２によって接続される。位置算出回路５５及びリニアモータ用ドライバ５７は、制御盤６０に収容される。
【００４７】
角度測定装置は、直線・回転複合アクチュエータの回転子１６の回転角度を検出する磁気センサ５１と、磁気センサ５１が出力する信号を内挿処理するインターポレータ５２と、から構成される。磁気センサ５１は、回転子１６の磁界の方向を検出し、９０度位相がずれた正弦波状及び余弦波状の電圧信号を出力する。磁気センサ５１が出力する電圧信号は、インターポレータ５２に出力される。インターポレータ５２は、正弦波状及び余弦波状の電圧信号に基づいて、回転子１６の角度情報を算出する。リニアモータ１の位置を測定する位置測定装置は角度測定装置と同様に、ロッド５の位置情報を出力する。
【００４８】
図１９は、回転モータ２の制御系のブロック図を示す。インターポレータ５２が算出した角度情報は、回転モータ用ドライバ５６の制御器６５に出力される。回転モータ用ドライバ５６には、リニアモータ１を制御するのに適した形態をした電力を供給するＰＷＭインバータ(PWM:Pulse Width Modulation)などの電力変換器６４、及び電力変換器６４を制御する制御器６５が組み込まれる。制御器６５は、インターポレータ５２からの信号及び上位コンピュータなどの指令器６６からの指令によって、電力変換器６４を制御する。具体的には、制御器６５は回転子１６の回転角度が指令値に一致するように電力変換器６４を制御する。リニアモータ用ドライバ５７の構成も回転モータ用ドライバと同様である。
【００４９】
回転モータ２の回転子１６とスプライン軸４とはスプラインナット１４を介して連結されているので、回転子１６の回転角度とスプライン軸４の回転角度とは等しい。軸線方向に移動することのない回転モータ２の回転子１６の回転角度を制御することによって、軸線方向に移動するスプライン軸４の回転角度を制御するので、スプライン軸４の回転角度の制御が容易になる。また本来、推力を発生させるための駆動用の永久磁石２２を磁気スケールとして流用するので、安価で小型な磁気センサ５１を実現できる。
【００５０】
図２０に示されるように、磁気センサ５１は、回転モータ２の永久磁石２２から所定のすきまを開けて配置され、永久磁石２２の回転運動によって生ずる永久磁石２２の磁界の方向（磁気ベクトルの方向）の変化を検出する。磁界の方向の変化を検出することから、磁気センサ５１が実装される基板は、回転子１６の回転中心に直交する平面内に位置する。
【００５１】
なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な実施形態に具現化できる。例えば本実施形態の直線・回転複合アクチュエータはチップマウンタに限られることはなく、様々なロボットの直線・回転複合アクチュエータとして用いることができる。また、直線・回転複合アクチュエータシステムの発明において、リニア同期モータの替わりにリニアステッピングモータを用いてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１…リニアモータ，２…回転モータ，２ａ，８１…ハウジング，３ａ…軸部材の一端部，３…軸部材，４，８２…スプライン軸，４ａ…ボール転走溝（転動体転走部），５…ロッド，６…永久磁石，１０…ブッシュ（すべり軸受），１２…コイル（リニアモータの固定子），１４，８６…スプラインナット，１４ａ…スプラインナットの他端部，１４ｂ…スプラインナットの一端部，１６，８８…回転子，１６ａ…スプラインナット他端部収容部，１６ｂ…スプラインナット一端部収容部，１６ａ１…大径部，１６ａ２…小径部，１６ｂ１…大径部，１６ｂ２…小径部，１６ｃ，８９…本体部，２１…コイル，２２，８９ａ…永久磁石，２５…ボール（転動体），２７…ボール循環路（転動体循環路），３１，９３…軸受，３２…ヨーク，３５，９２…回転モータの固定子，５１…磁気センサ（角度測定装置），５２…インターポレータ（角度測定装置，角度算出回路），５６…回転モータ用ドライバ，８７…第二のスプラインナット，９０…第二のスプラインナット収容部，９０ａ…第二のスプラインナット他端部収容部，９０ｂ…第二のスプラインナット一端部収容部，９１…スプラインナット収容部，９１ａ…スプラインナット他端部収容部，９１ｂ…スプラインナット一端部収容部
【図１】
0005539142.tif 000002
【図２】
0005539142.tif 000003
【図３】
0005539142.tif 000004
【図４】
0005539142.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0005539142.tif 000008
【図８】
0005539142.tif 000009
【図９】
0005539142.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0005539142.tif 000012
【図１２】
0005539142.tif 000013
【図１３】
0005539142.tif 000014
【図１４】
0005539142.tif 000015
【図１５】
0005539142.tif 000016
【図１６】
0005539142.tif 000017
【図１７】
0005539142.tif 000018
【図１８】
0005539142.tif 000019
【図１９】
0005539142.tif 000020
【図２０】
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