(57)【要約】  リニアアクチュエータ１００は、モータ１と、カップリング１９によりモータ軸１１と連結され、モータ軸１１の回転運動を直進運動に変換する直動機構３と、カップリング１９を回転可能に保持するベアリング５と、出力軸３ｂへの軸方向の負荷を検出するセンサ７と、カップリング１９、ベアリング５及びセンサ７を内部に収容するハウジング９とを有し、ベアリング５は、内輪部２２と外輪部２３とを有し、センサ７が外輪部２３と与圧調整手段２５に当接すると共に内輪部２２に当接しないよう配置されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ軸を正逆回転可能なモータと、
カップリングにより前記モータ軸と連結され、前記モータ軸の回転運動を直進運動に変換することにより、出力軸をその軸方向に沿って前後移動可能な直動機構と、
前記カップリングを回転可能に保持するベアリングと、
前記出力軸への軸方向の負荷を検出するセンサと、
前記カップリング、前記ベアリング及び前記センサを内部に収容するハウジングと、を有するリニアアクチュエータであって、
前記ベアリングは、前記カップリングと共に回転可能な内輪部と、前記カップリングの回転によって回転しない外輪部とを有しており、
前記センサは、前記外輪部と前記ハウジングの一部とに直接又は間接に当接すると共に前記内輪部に当接しないよう配置されている、リニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記センサには、前記外輪部と前記ハウジングの一部とによって前記センサに与圧が付与されている、請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項３】
前記外輪部と前記ハウジングの一部とによって前記センサに付与される与圧を調整する与圧調整手段を更に有する、請求項１又は請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記センサが、前記出力軸の軸方向に沿った前記ベアリングの前後両側に配置されている、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項５】
前記ハウジング内に、前記モータ、前記直動機構の少なくとも一部、前記モータの回転検出のためのエンコーダ、及び、前記モータの回転駆動制御のための制御部、が収容されている、請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、リニアアクチュエータに係り、特に、センサにより出力軸への負荷を検出可能なリニアアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転動力を直動に変換する機構として、例えばボールネジ・ナット構造を有するもの、ベルト構造を有するもの、ラック・ピニオン構造を有するもの等がある。これらを総称してリニアアクチュエータという。いずれの構造のものにおいても、直動部の反力は接地支持されるアクチュエータ系内で受ける必要がある。例えば、ボールネジ・ナット構造のリニアアクチュエータでネジシャフト駆動を行う場合、エンドエフェクタ（出力軸）に接続されたナットが移動することで直動が実現される。【０００３】
この場合、ネジシャフトは一般にアクチュエータの接地(設置)に対してベアリング支持される。与圧された前後一対のベアリング構造によって、直動方向における前後両方向(プッシュ、プル)に対応させている機械構造例が多い。【０００４】
このようなアクチュエータを利用する際に、ナットがエンドエフェクタに伝達する推力を精度よくかつリアルタイムに把握することが求められる。従来、モータの回転軸出力トルクを捕捉し、回転・直動変換等における伝達ロス（効率）などの影響を考慮した上で出力推力を推定していた。また、アクチュエータ近傍のエンドエフェクタに外付けロードセルを設置することが行われてきた。【０００５】
しかしながら、エンドエフェクタにロードセルを配置すると、ロードセルに対する圧縮応力を検出することができるとしても、引張応力を検出することが難しい。また、ロードセルの配置によりエンドエフェクタ周囲の構造物が大型化してしまう。出力軸としてのロッドの先端にロードセルを配置しているので、出力軸のサイズが大きくなってしまう上、エンドエフェクタ周囲の構造の強度低下を招いてしまう。エンドエフェクタの直線移動と共にロードセルも移動するのでロードセルへの配線に可動性を必要とする。【０００６】
そこで、特許文献１に開示のものは、外筒体の外周に歪検出部を配置することで、ロッドへの荷重を計測している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−４３６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載のものでは、外筒体の外周に歪検出部が配置されているので、外筒体のサイズが大型化してしまう。外筒体の大型化を避けようとすると、必然的に外筒体の薄肉化が必要となり、外筒体の強度低下が問題となる。歪検出部による荷重検出感度を一定以上に確保しようとすると、外筒体を薄肉化せざるを得ない。また、歪検出部の配線を外筒体の表面に配置する必要があるので、設計上、配線の取り回しが困難となる場合が生じたり、リニアアクチュエータを装置等に組み付ける際に断線を誘発する可能性がある等の課題がある。本来的には、リニアアクチュエータの推力を検出するためのセンサは、外観を損なうことなくその内部に配置されることが好ましい。【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、出力軸の強度低下や大型化を招くことなく、出力軸への負荷を二方向（圧縮方向及び引張方向）で高精度に検出することのできる、リニアアクチュエータを提供することを例示的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。【００１１】
（１）モータ軸を正逆回転可能なモータと、カップリングにより前記モータ軸と連結され、前記モータ軸の回転運動を直進運動に変換することにより、出力軸をその軸方向に沿って前後移動可能な直動機構と、前記カップリングを回転可能に保持するベアリングと、前記出力軸への軸方向の負荷を検出するセンサと、前記カップリング、前記ベアリング及び前記センサを内部に収容するハウジングと、を有するリニアアクチュエータであって、前記ベアリングは、前記カップリングと共に回転可能な内輪部と、前記カップリングの回転によって回転しない外輪部と、を有し、前記センサは、前記外輪部と前記ハウジングの一部とに直接又は間接に当接すると共に前記内輪部に当接しないよう配置されている、リニアアクチュエータ。【００１２】
上記の構成によれば、ベアリングの外輪部に直接又は間接に当接しつつ、内輪部に当接しないセンサ（例えば、感圧センサ）によって出力軸への負荷を検出することができる。出力軸への負荷を軸方向における片側又は両側の当接部分でダイレクトに検出することができ、高精度な負荷検出を実現することができる。センサを外部、例えば出力軸先端近傍部分等に配置する必要がないので、リニアアクチュエータを小型でコンパクトに構成することができる。センサが出力軸に配置されていると、センサからの配線に可動対応が必要となるが、センサがベアリングの近傍位置に配置されていることから、配線の可動対応も不要となる。【００１３】
なお、感圧センサとしては、圧電セラミック等を材料とするシート状のロードセル等の感圧センサや成形された圧電素子が考えられる。その感圧センサをベアリングの外輪部とハウジングの一部（ハウジング内壁から内方へ突出した突出部等。）との隙間に配置することにより、出力軸への負荷をベアリングとハウジングとの間の圧縮（プッシュ）応力又は引張（プル）応力として検出することができる。【００１４】
（２）前記センサには、前記外輪部と前記ハウジングの一部とによって与圧が付与されてもよい。【００１５】
センサに予め与圧が付与されていることにより、出力軸への負荷が０の場合のセンサ出力にバイアス値を設定することができ、出力軸への負荷の検出精度をより高めることができる。【００１６】
（３）前記外輪部と前記ハウジングの一部とによって前記センサに付与される与圧を調整する与圧調整手段を更に有してもよい。【００１７】
与圧調整手段によりセンサへの与圧を調整することができるので、出力軸への負荷が０の場合のセンサ出力のバイアス値を調整することができる。センサによる検出範囲を拡大したり、センサの検出感度の高い検出範囲を用いることでより高精度の負荷検出を実現したりすることができる。【００１８】
（４）前記センサが、前記出力軸の軸方向に沿った前記ベアリングの前後両側に配置されていてもよい。【００１９】
センサが軸方向の前後両側に配置されているので、出力軸に対する圧縮応力と引張応力の両方を個別に高精度に検出することができる。また、検出範囲の拡大にも寄与する。【００２０】
（５）前記ハウジング内に、前記モータ、前記直動機構の少なくとも一部、前記モータの回転検出のためのエンコーダ、及び、前記モータの回転駆動制御のための制御部、が収容されていてもよい。【００２１】
これらの構成部材がハウジング内に収容されていることで、小型でコンパクトなリニアアクチュエータとすることができる。取扱い性にも優れ、大型装置へのリニアアクチュエータの組付けの際の事故防止や不具合発生防止にも寄与する。モータ、エンコーダ、制御部が一体型でハウジング内に収容されていればより好ましい。ボールネジ・ナットを用いた回転直動変換系に限定されず、上述のようなセンサ配置構造は、出力軸への荷重の力流線上であれば、他の形式の回転直動変換系においても上記同様に構築が可能である。【００２２】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施の形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、出力軸の強度低下や大型化を招くことなく、出力軸への負荷を二方向（圧縮方向及び引張方向）で高精度に検出することのできるリニアアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態に係るリニアアクチュエータの内部構造図である。
【図２】カップリング近傍の部分拡大図である。
【図３】センサの配置及び形状の例を示す図である。
【図４】センサへの負荷量とセンサ信号出力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施形態に係るリニアアクチュエータ１００の内部構造図である。リニアアクチュエータ１００は、モータ１、直動機構３、ベアリング５、センサ７を有しており、これらの構成部材が、ハウジング９内に収容されている。リニアアクチュエータ１００は、直動システム、リニアガイド、リニアスライド等とも呼ばれ、モータとボールネジとの組合せ、モータとラック・ピニオンとの組合せ、モータと歯付ベルトとスライドステージとの組合せ等により構成される。本実施形態では、モータとボールネジとの組合せにより実現されたリニアアクチュエータ１００を例示して説明する。
【００２６】
モータ１は、モータ軸１１とエンコーダ１３とを有している。モータ１は、例えばＡＣサーボモータ又はＤＣサーボモータ等のフィードバック制御可能なサーボモータである。モータ１はモータ制御回路（制御部）１５及びモータ駆動回路１７とに電気的に接続されている。モータ制御回路１５からの制御信号に基づき、モータ駆動回路１７が回転駆動信号をモータ１に向けて送出することにより、モータ１が正逆方向に回転制御されるようになっている。リニアアクチュエータ１００では、モータ制御回路１５もモータ駆動回路１７もハウジング９内に収容されている。
【００２７】
モータ１のモータ軸１１にはエンコーダ１３が連結されている。エンコーダ１３は、モータ軸１１の回転に同期して回転し、モータ軸１１の回転速度や回転量を検出する。エンコーダ１３もモータ制御回路１５に電気的に接続されている。
【００２８】
モータ１の前方（図中矢印Ｘ方向）には、直動機構３が配置されている。直動機構３は、回転運動を直進運動に変換する機構である。リニアアクチュエータ１００では、直動機構３としてボールネジが用いられており、ボールネジは、ネジ軸３ａ、ボールナット部（不図示）、出力軸３ｂを有している。具体的構成については説明を省略するが、直動機構３のネジ軸３ａが軸中心周りに回転することにより、ネジ軸３ａに螺合するボールナット部がネジ軸３ａの軸方向に沿って直線移動する。それにより、ボールナット部に連結又は接続された出力軸３ｂが、ネジ軸３ａの軸方向に沿って前後移動する。
【００２９】
リニアアクチュエータ１００では、ネジ軸３ａの軸方向と出力軸３ｂの軸方向とは同一方向であり、図１中の矢印Ｘ方向（前方向）及び矢印Ｙ方向（後方向）に沿って延びている。ネジ軸３ａの正逆回転によって、出力軸３ｂは、矢印Ｘ、Ｙ方向に前後移動する。
【００３０】
モータ軸１１とネジ軸３ａとは、カップリング１９により連結されている。カップリング１９によって連結された結果、モータ軸１１とネジ軸３ａとは同軸となり、同期正逆回転が可能である。図２は、カップリング１９近傍の部分拡大図である。カップリング１９は、ベアリング５により回転可能に保持されている。ベアリング５としては、玉軸受、ころ軸受等種々のものが適用可能である。また、ベアリング５が負担する荷重方向に応じて、ラジアル軸受、スラスト軸受、アンギュラ軸受等を適用することもできる。本実施形態では、ラジアル玉軸受としてのベアリング５の内輪部にカップリング１９が圧入されている例について説明する。
【００３１】
ベアリング５は、ボール２４を介して内輪部２２と外輪部２３とが配置されて外輪部２３に対して内輪部２２が円滑に回転可能とされた機構部品である。内輪部２２の貫通孔にはカップリング１９が圧入され、内輪部２２はカップリング１９と同期回転可能となっている。外輪部２３はその外周面においてハウジング９の一部としての内壁９ａに当接している。外輪部２３の前後面（図２中矢印Ｘ、Ｙ方向に直交する面）には、後述するセンサ７、与圧調整手段２５が配置されている。カップリング１９及び内輪部２２が回転しても、外輪部２３は回転しない。
【００３２】
センサ７は、出力軸３ｂへの負荷を検出するためのものである。センサ７としては、例えば圧電セラミック等を材料とする固体あるいはシート状の感圧センサである。図３（ａ）、（ｂ）にセンサ７の配置及び形状の例を示す。センサ７は、図３（ａ）のように、外輪部２３の形状に基づいたリング形状のシートセンサであってもよい。また、センサ７は、図３（ｂ）のように、外輪部２３に当接するように複数箇所（例えば、等角度間隔である１２０°ごとの３箇所）に配置された複数のシートセンサであってもよい。
【００３３】
もちろん、等角度間隔は１２０°に限定されず、９０°であっても４５°であっても３０°であってもよい。この場合において、等角度間隔の配置位置のうちの一部（例えば、１２０°ごとに配置された２箇所）にセンサが配置されていてもよいし、センサは１箇所にだけ配置されていてもよい。
【００３４】
センサ７は、モータ制御回路１５と電気的に接続されており、センサ７で検出した信号出力をモータ制御回路１５へと送信することが可能である。なお、本実施形態では、外輪部２３の前後面にそれぞれセンサ７が配置され、前面側のセンサ７ａと後面側のセンサ７ｂとされている。
【００３５】
センサ７は、外輪部２３に当接しており、内輪部２２には当接しないように配置される。後述する与圧調整手段２５を不要とする他の構成例においては、センサ７は、外輪部２３とハウジング９の一部（例えば、ハウジング９の内壁９ａから内方に向けて部分的に突出形成された突出部。）とに挟持されるように配置され、その結果、センサ７は直接的にハウジング９の一部に当接する。この場合において、外輪部２３と突出部との隙間がセンサ７の厚さよりも若干狭く形成されることにより、センサ７に予め外輪部２３と突出部とによって与圧が付与されるように構成されてもよい。センサ７は、外輪部２３とスペーサ（不図示）を介して当接するように配置されていてもよい。センサ７は、ハウジング９の一部とスペーサ（不図示）を介して当接するように配置されていてもよい。センサ７と当接すべき外輪部２３の寸法やハウジング９の一部の寸法が小さくセンサ７との接触面積が充分に確保し難い場合であっても、スペーサを配置することにより、スペーサとセンサ７との接触面積を大きく確保することができる。
【００３６】
本実施形態では、センサ７は、外輪部２３と与圧調整手段２５とに挟持されるように配置されている。すなわち、本実施形態では、センサ７が与圧調整手段２５を介して間接的にハウジング９の一部としての内壁９ａに当接している。与圧調整手段２５は、例えば、押さえナット等であって、ハウジング９内で矢印Ｘ、Ｙ方向に移動可能とされる。それにより、外輪部２３と与圧調整手段２５とで形成される隙間のサイズが調整可能である。与圧調整手段２５の軸方向位置を調整することにより、センサ７への与圧を調整することが可能である。
【００３７】
出力軸３ｂに対して加わる負荷は、ボールナット、ネジ軸３ａ、カップリング１９を介してベアリング５へと伝達される。その負荷は、センサ７によって正確に検出が可能である。本実施形態では、外輪部２３の前後に２つのセンサ７を配置しているので、出力軸３ｂに加わる負荷が圧縮負荷（圧縮応力）であっても引張負荷（引張応力）であっても、高精度の負荷検出が可能である。
【００３８】
以下、図４を用いて、センサ７への負荷量とセンサ７の信号出力との関係を説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、横軸がセンサ７への負荷量、縦軸がセンサ７の信号出力である。図４に示す例では、外輪部２３の前後に２つのセンサ７ａ、７ｂを配置している。
【００３９】
図４（ａ）は、センサ７（７ａ、７ｂ）の信号出力範囲の略中央値（出力値Ａ）となる程度の大きさの与圧負荷をセンサ７ａ、７ｂに付与した構成を示している。センサ７の信号出力範囲とは、センサ７で出力可能な信号値の上限値と下限値との範囲（すなわち、センサ７で検出可能な負荷の上限値と下限値との範囲に対応。）を意味する。
【００４０】
図４（ａ）の構成では、出力値Ａに対応する与圧をセンサ７ａ、７ｂに与えているので、２つのセンサ７ａ、７ｂで測定可能な測定荷重範囲がＬ１となる。この場合、センサ７ａ又はセンサ７ｂの一方だけでも測定荷重範囲Ｌ１での負荷の検出が可能である。もちろん、センサ７ａの出力値とセンサ７ｂの出力値の両方を用いて、より一層高精度な負荷検出を行うこともできる。
【００４１】
図４（ｂ）は、センサ７（７ａ、７ｂ）の信号出力範囲の下限に近い値（出力値Ｂ）となる程度の大きさの与圧負荷をセンサ７ａ、７ｂに付与した構成を示している。図４（ｂ）の構成では、出力値Ｂに対応する与圧をセンサ７ａ、７ｂに与えているので、２つのセンサ７ａ、７ｂで測定可能な測定荷重範囲がＬ２となる。この場合、センサ７ａ及びセンサ７ｂの両方の出力値を用いることにより、測定荷重範囲Ｌ１よりも大きい測定荷重範囲Ｌ２での負荷検出を実現することができる。
【００４２】
このように、センサ７に与圧を付与することで、図４（ａ）、（ｂ）のいずれの構成においても、出力軸３ｂに対する圧縮負荷、引張負荷の両方を検出することができる。また、センサ７に付与する与圧を調整することで、出力軸３ｂに対する負荷検出をより一層高精度としたり、より一層検出範囲を拡大したりすることができる。リニアアクチュエータ１００が与圧調整手段２５を有することで、このような機能が実現する。
【００４３】
なお、このリニアアクチュエータ１００では、ハウジング９内に、モータ１、直動機構３、ベアリング５、センサ７、エンコーダ１３、モータ制御回路１５、モータ駆動回路１７、カップリング１９、与圧調整手段２５を収容している。もちろん、これらの構成部材を複数のハウジング９に分けて収容してもよいし、例えば、モータ制御回路１５、モータ駆動回路１７のみをハウジング９外に設置することも可能である。
【００４４】
以上、実施形態及び変形例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
Ａ、Ｂ：出力値
Ｌ１、Ｌ２：測定荷重範囲
Ｘ、Ｙ：矢印
１００：リニアアクチュエータ
１：モータ
３：直動機構
３ａ：ネジ軸
３ｂ：出力軸
５：ベアリング
７：センサ
７ａ：前面側センサ
７ｂ：後面側センサ
９：ハウジング
９ａ：内壁
１１：モータ軸
１３：エンコーダ
１５：モータ制御回路（制御部）
１７：モータ駆動回路
１９：カップリング
２２：内輪部
２３：外輪部
２４：ボール
２５：与圧調整手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2017212588.tif 000006
【国際調査報告】
2017212588.tif 000007
2017212588.tif 000008
2017212588.tif 000009
2017212588.tif 000010