(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームの内部に同心円状となるように出力軸の長手方向の複数箇所に配置され、前記出力軸の直動方向および回転方向を支持する支持機構と、
前記出力軸の長手方向における前記支持機構の間に同心円状に配置され、前記出力軸を直動方向および回転方向に駆動するモータ部と、
前記出力軸の回転方向の角度を検出する第１の検出部と、前記出力軸の直動方向の変位を検出する第２の検出部とを含む検出器部と、
を備え、
前記モータ部は、界磁とする永久磁石と、前記界磁と磁気的空隙を介して対向配置されると共に移動磁界を発生する電機子とを備え、
前記モータ部の前記電機子は、前記出力軸を回転方向に駆動する第１の電機子巻線と、前記第１の電機子巻線と同心円状に重畳するように配置され、前記出力軸を直動方向に駆動する第２の電機子巻線とを備え、
前記支持機構は、前記出力軸を回転自在に支持する第１の軸受と、前記出力軸を直動自在に支持する第２の軸受とを備え、
前記第２の軸受は、前記出力軸の長手方向に沿って前記第２の軸受の外筒端部から突出されたカラーが接続され、
前記第１の検出部の被検出体は、前記第２の軸受の外筒端部から突出した前記カラーに取り付けられ、他方の検出器は前記フレームに取り付けられたこと
を特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記支持機構は、
前記フレームに前記出力軸を回転自在に支持する前記第１の軸受が取り付けられ、前記第１の軸受の内周面に前記出力軸を直動自在に支持する前記第２の軸受を備えたことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記検出器部を前記出力軸の負荷側に配置すると共に、前記モータ部を前記出力軸の反負荷側に配置したことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記出力軸を非磁性材料にて構成したことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力軸が回転と直動の２つの動作を行うアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転動作と直動動作を実現するために、本出願人らは、回転モータとリニアモータの電機子巻線を同心円状に重ね合わせると共に、可動子の一端の直動回転スケールと固定子の一端の直動回転検出器を対向配置する構成にして、可動子の出力軸に直接トルクと推力を発生させるアクチュエータを提案している（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１４３３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本出願人は、さらに研究開発を進める中で、市場のニーズに適応したアクチュエータの高精度化や高出力化に取り組むことが必要であると判断した。
したがって、本発明は高精度化や高出力化されたアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、アクチュエータに係り、フレームの内部に同心円状となるように出力軸の長手方向の複数箇所に配置され、前記出力軸の直動方向および回転方向を支持する支持機構と、前記出力軸の長手方向における前記支持機構の間に同心円状に配置され、前記出力軸を直動方向および回転方向に駆動するモータ部と、前記出力軸の回転方向の角度を検出する第１の検出部と、前記出力軸の直動方向の変位を検出する第２の検出部とを含む検出器部と、を備え、前記モータ部は、界磁とする永久磁石と、前記界磁と磁気的空隙を介して対向配置されると共に移動磁界を発生する電機子とを備え、前記モータ部の前記電機子は、前記出力軸を回転方向に駆動する第１の電機子巻線と、前記第１の電機子巻線と同心円状に重畳するように配置され、前記出力軸を直動方向に駆動する第２の電機子巻線とを備え、前記支持機構は、前記出力軸を回転自在に支持する第１の軸受と、前記出力軸を直動自在に支持する第２の軸受とを備え、前記第２の軸受は、前記出力軸の長手方向に沿って前記第２の軸受の外筒端部から突出されたカラーが接続され、前記第１の検出部の被検出体は、前記第２の軸受の外筒端部から突出した前記カラーに取り付けられ、他方の検出器は前記フレームに取り付けられたことを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記支持機構は、前記フレームに前記出力軸を回転自在に支持する前記第１の軸受が取り付けられ、前記第１の軸受の内周面に前記出力軸を直動自在に支持する前記第２の軸受を備えたことを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記検出器部を前記出力軸の負荷側に配置すると共に、前記モータ部を前記出力軸の反負荷側に配置したことを特徴としている。
請求項４に記載の発明は、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記出力軸を非磁性材料にて構成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、単位体積あたりの出力が高く、精密な回転動作と直動動作実現することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態を示すアクチュエータの側断面図、
【図２】図１の可動子の界磁部の説明図であって、（ａ）はその側面から見た断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ断面およびＢ断面に沿うＸ方向から見た断面図、
【図３】第１実施形態における電機子巻線と永久磁石の配置関係を示す展開図、
【図４】第２実施形態を示すアクチュエータの側断面図、
【図５】第３実施形態を示すアクチュエータの側断面図、
【図６】第４実施形態を示すアクチュエータの側断面図、
【図７】第５実施形態を示すアクチュエータの側断面図、
【図８】第６実施形態を示すアクチュエータの側断面図、
【図９】第７実施形態を示すアクチュエータの側断面図
【図１０】第８実施形態を示すアクチュエータの側断面図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１は第１実施形態を示すアクチュエータの側断面図である。アクチュエータについて、図１を用いて説明する。
図１において、第１実施形態の直動回転を行うアクチュエータは固定子１００と可動子２００から構成されており、アクチュエータの固定子１００、可動子２００には、出力軸２０１の負荷側に検出器部１００ｂが、反負荷側にモータ部１００ａがそれぞれ配置されている。なお、第１実施形態および後述する他の実施形態で示されるアクチュエータは図示のＸ方向が鉛直方向の下向きとなるように、θ方向が回転方向となるように設置されている。
【００１０】
モータ部１００ａは、固定子１００側に電機子コアを兼ねた円筒状の第２フレーム１０２、回転方向に回転磁界を発生するθ電機子巻線１０３、直動方向に進行磁界を発生するＸ電機子巻線１０４が同心円状に重畳して設けられている。第２フレーム１０２にはθ電機子巻線１０３とＸ電機子巻線１０４に外部電力を供給するための図示しないモータ端子が設けられている。一方、モータ部１００aの可動子２００側には、Ｘ電機子巻線１０４の内側と磁気的空隙を介して対向配置された界磁部２０２が出力軸２０１に設けられている。出力軸２０１は非磁性体であるステンレス鋼でできている。
このように、モータ部１００ａは、θ電機子巻線１０３とＸ電機子巻線１０４を同心円状に重畳して配置することによりアクチュエータの長手方向の長さを短くできることから、単位体積あたりの出力を大きくすることができると考えられる。
【００１１】
また、検出器部１００ｂは出力軸２０１の直動方向の変位を検出する直動検出器部３００と、出力軸２０１の回転方向の変位を検出する回転検出器部４００から構成されている。
直動検出器部３００は出力軸２０１の外周に固定された円筒状で光学式のリニアスケール３０１と、第１フレーム１０１の内周に固定された光学式のリニアセンサヘッド３０２から構成されている。回転検出器部４００は後述するθＸ軸受部１０６のボールスプライン１０６ａにカラー４０３を介して固定されたθエンコーダ４０１と、第１フレーム１０１に固定された回転センサヘッド４０２が配置されている。この回転検出器４００を構成するθエンコーダ４０１には永久磁石が用いられ、回転センサヘッド４０２には当該永久磁石に空隙を介して対向するように第１フレーム１０１内側に円周に均等配置された４個のＭＲ素子やホール素子等の磁気検出素子が用いられ、いわゆる磁気式エンコーダを構成している。なお、第１フレーム１０１には直動検出器部３００と回転検出器部４００に外部から電力を供給し、かつ、位置Ｘと角度θの検出信号を出力する図示しない検出器端子が設けられている。
【００１２】
また、支持機構は、検出器部１００ｂが配置された第１フレーム１０１の負荷側には負荷側ブラケット１０７、反負荷側には反負荷側ブラケット１０８が配置されている。負荷側ブラケット１０７と反負荷側ブラケット１０８には、各１個のボールスプライン１０６ａと各２個のベアリング１０６ｂにて構成されたθＸ軸受部１０６がそれぞれ配置されている。モータ部１００ａが配置された第２フレーム１０２の反負荷側にはエンドブラケット１０９が設けられており、エンドブラケット１０９の内周には、１個のボールスプライン１０６ａと１個のベアリング１０６ｂにて構成されたθＸ軸受部１０６が配置されている。
このように、出力軸２０１の負荷側は、第１フレーム１０１の負荷側ブラケット１０７と反負荷側ブラケット１０８の２箇所にそれぞれ設けられたθＸ軸受部１０６を構成するボールスプライン１０６ａによりＸ方向に直動できるように支持され、出力軸２０１とボールスプライン１０６ａは該ボールスプライン１０６ａと同じ部位の２箇所に設けられたベアリング１０６ｂによりθ方向に回転できるように支持されていることから、固定子１００における第１フレーム１０１の部分に対して検出器部１００ｂを配置した出力軸２０１を両持ちで支持すると共にθ方向の回転とＸ方向への直動を自在に移動可能となっている。また、出力軸２０１の負荷側におけるθＸ軸受部１０６を構成するボールスプラインの部位にθエンコーダ４０１を設けたので、検出器部を構成する出力軸２０１の負荷側の長さを短軸化することができる。なお、出力軸端２０１先端には、図示しない負荷が設けられており、負荷（不図示）をθ方向とＸ方向に自在に移動させることができる。
さらに、出力軸２０１の反負荷側は、第１フレーム１０１の反負荷側ブラケット１０８と第２フレーム１０２のエンドブラケット１０９の２箇所にそれぞれ設けられたθＸ軸受部１０６を構成するボールスプライン１０６ａによりＸ方向に直動できるように支持され、出力軸２０１とボールスプライン１０６ａは該ボールスプライン１０６ａと同じ部位の２箇所に設けられたベアリング１０６ｂによりθ方向に回転できるように支持されていることから、固定子１００における第２フレーム１０２の部分に対してモータ部１００ａを配置した出力軸２０１を両持ちで支持すると共にθ方向とＸ方向に自在に移動可能となっている。
【００１３】
図２は図１の可動子の界磁部の説明図であって、（ａ）はその側面から見た断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ断面およびＢ断面に沿うＸ方向から見た断面図である。なお、図中の矢印（→）は永久磁石の磁化方向を表しており、極性はＳ→Ｎとなっている。
界磁部２０２は、円筒状の界磁ヨーク２０３の外周に複数のブロック状の永久磁石（以下、ブロック磁石と呼ぶ）２０４ａ、２０４ｂが設けられている。なお、ブロック磁石２０４ａは外周側Ｎ極、内周側Ｓ極に磁化されており、ブロック磁石２０４ｂはその逆に磁化されている。ブロック磁石２０４ａ、２０４ｂは空隙を介してＸ電機子巻線１０４と対向している。
【００１４】
図３は、図２における電機子巻線と永久磁石の配置関係を示した展開図である。
ブロック磁石２０４ａと２０４ｂは各６個で構成されている。ブロック磁石２０４ａはθ方向に２λ（λはθ方向極ピッチ＝電気角１８０度）ごとに配置され、同じくブロック磁石２０４ｂもθ方向に２λごとに配置されている。さらに、ブロック磁石２０４ａと２０４ｂはθ方向にλ、Ｘ方向にγ（γはＸ方向極ピッチ＝電気角１８０度）だけずれて配置されている。よって、界磁の磁極数はθ方向が１２極、Ｘ方向が２極となっている。
θ電機子巻線１０３とＸ電機子巻線１０４は、ブロック磁石２０４ａ、２０４ｂと空隙を介して、黒太線で模擬的に示したような配置となっている。θ電機子巻線１０３は、コイルエンド部が円弧状の形をした集中巻きのコイル（以下、俵形コイル１０３ａと呼ぶ）がＵ、Ｖ、Ｗ相各々３個ずつ、計１２個により構成されている。俵形コイル１０３ａがθ方向に配置される間隔はλ×４／３（電気角２４０度）である。同相同士の俵形コイル１０３ａの間隔は電気角７２０度となっているので、３個の同相の俵形コイル１０３ａは電流の向きが３個とも同じ向きとなるように結線されている。一方、Ｘ電機子巻線１０４は、円筒状に集中巻きされたリング形コイル１０４ａがＵ、Ｖ、Ｗ相各々４個ずつ、計１２個により構成されている。リング形コイル１０４ａのＸ方向に配置される間隔はγ／３（電気角６０度）であり、Ｘ電機子巻線１０４のＸ方向全体の長さは４γ（＝γ／３×１２個）である。同相同士のリング形コイル１０４ａの間隔はγ（電気角１８０度）となっているので、４個の同相のリング形コイル１０４ａは電流の向きが正、逆、正、逆となるように結線されている。
【００１５】
次に動作について説明する。
このように構成されたアクチュエータは、θ電機子巻線１０３に電流を流すことによりブロック磁石２０４ａ、２０４ｂの作る磁界との作用で可動子２００にトルクを発生し、また、Ｘ電機子巻線１０４に電流を流すことによりブロック磁石２０４ａ、２０４ｂの作る磁界との作用で可動子２００に推力が発生する。図３は、θ電機子巻線１０３やＸ電機子巻線１０４にそれぞれＵ相が最大となる位相で電流を通電した図であり、図示した矢印方向に電流が流れることで、ローレンツ力が発生し、可動子２００はθ＋方向にトルク、Ｘ＋方向に推力を発生する。このようにして、可動子２００に直接トルクと推力を発生させ回転動作と直動動作を行っている。
【００１６】
以上説明したように、第１実施形態の特徴は、負荷側に検出器部１００ｂを配置し、反負荷側にモータ部１００ａを配置した構成、θＸ軸受部１０６を各１個のボールスプライン１０６ａと各２個のベアリング１０６ｂにて構成すると共にθＸ軸受部１０６を検出器部１００ｂの両側で支持し、またモータ部１００ａの両側で支持するように、第１フレーム１０１の負荷側および反負荷側、第２フレーム１０２の反負荷側にθＸ軸受部１０６を設けた構成と、出力軸２０１の負荷側のボールスプライン１０６ａにカラー４０３を介して取り付けられたθエンコーダ４０１と、該θエンコーダ４０１に空隙を介して対向するように第１フレーム１０１に円周に均等配置された回転センサヘッド４０２とよりなる回転検出器４００を設けた構成の部分である。
【００１７】
したがって、第１の実施形態は、モータ部は、θ電機子巻線とＸ電機子巻線を同心円状に重畳して配置することによりアクチュエータの長手方向の長さを短くできることから、単位体積あたりの出力を大きくすることができ、高出力のアクチュエータを提供することができる。
また、θＸ軸受部を各１個のボールスプラインと各２個のベアリングにて構成すると共に、θＸ軸受部を検出器部の負荷側と反負荷側の両側に配置したことで、検出器部での出力軸のがたや偏心をなくすことができ、出力軸の真直度と回転振れの精度を向上できる。出力軸の真直度と回転振れの精度を向上できるので、出力軸に配置された直動検出器のリニアスケールの真直度と回転検出器のθエンコーダの回転振れの精度を向上でき、直動方向の位置と回転方向の角度を精度良く検出することができる。
また、モータ部の反負荷側にエンドブラケットを配置し、θＸ軸受部を介して出力軸を支持する構成にすることで、θＸ軸受部をモータ部の負荷側と反負荷側の両側に配置する構成に等価になることから、界磁部のがたや偏心をなくすことができ、ひいては、出力軸のがたや偏心をなくすことができ、出力軸の真直度と回転振れの精度を向上できる。
また、出力軸の負荷側に検出器部を配置し、反負荷側にモータ部を配置した構成に加え、出力軸の負荷側におけるθＸ軸受部を構成するボールスプラインの部位にθエンコーダを設けたので、検出器部を構成する出力軸の先端に設けられる負荷（不図示）と検出器部の間の距離を短くすることができる。例えば、θ電機子巻線やＸ電機子巻線にそれぞれ電流を通電した場合、モータ部に熱が発生し、モータ部部分の発生熱で出力軸の反負側が熱膨張したとしても、出力軸の負荷側における負荷（不図示）と検出器部の距離を短くしてあるため、出力軸の直動方向の熱変形を減少させ、出力軸の直動方向の位置誤差を低減することができる。
また、出力軸の負荷側のボールスプラインの部位に設けた永久磁石よりなるθエンコーダと、該θエンコーダと空隙を介して設けたＭＲ素子等よりなる磁気検出素子とで構成される磁気式エンコーダを配置することで、θエンコーダは、出力軸の負荷側および反負荷側のベアリングで回転自在に支持されることから、ベアリングのラジアル隙間は平均化された隙間変動となり、数μｍの磁気的ギャップの変動であると考えられ、磁気式エンコーダの検出誤差を軽減することができる。
また、界磁部の組立では、ブロック磁石は磁化されているので取り扱いに注意を要し、出力軸の組立では、直動回転の検出精度に影響するのでリニアスケールの取り付けには注意を要する。出力軸と界磁部で分割して構成したことで、界磁部の組立と出力軸の組立を別工程にて行うことができ、組立作業が容易になる。
また、出力軸は精密に加工されたボールスプライン軸にて構成されているので、出力軸の長さを短くできることにより、出力軸を安価にすることができる。
また、出力軸は非磁性体であるステンレス鋼製にて構成されたことで、出力軸は磁束を通さない。従来は、界磁部の漏れ磁束による磁力線は、出力軸を通り検出器部へと続く磁力線があった。出力軸は磁束を通さないので、検出器部への界磁部の漏れ磁束を低減することができ、界磁部の漏れ磁束により発生していた検出器部の検出誤差を低減できる。
以上、説明したように本実施形態に係るアクチュエータは、出力軸の直動方向の位置と回転方向の角度の検出誤差を最小限に抑え、精度よく検出できることから、高精度な回転動作と直動動作を１つのアクチュエータで実現することができる。
【実施例２】
【００１８】
図４は第２実施形態を示すアクチュエータの側断面図である。なお、第２実施形態の構成要素が第１実施形態と同じものについては説明を省略する。
第２実施形態の直動回転を行うアクチュエータの特徴を、第1実施形態と異なる点を以下のとおり説明する。
すなわち、第１実施形態の検出器部が出力軸の直動方向の変位を検出する直動検出器部と、出力軸の回転方向の変位を検出する回転検出器部から構成されているのに対して、第２実施形態の検出器部は、基本的に第１実施形態の直動検出器部と回転検出器部の機能を一体化した直動回転検出器部５００を構成している点で異なる。いわゆる直動回転検出器部５００は、出力軸２０１の外周に固定された円筒状の直動回転スケール５０１と、第１フレーム１０１の内周に固定された直動回転センサヘッド５０２とから構成され、出力軸２０１の直動方向および回転方向の変位を検出するようになっている。
なお、第１フレーム１０１には直動回転検出器部５００に外部から電力を供給し、かつ、位置Ｘと角度θの検出信号を出力する図示しない検出器端子が設けられている。
また、第２実施形態の可動子が出力軸、検出器部、モータ部ｂから構成されていて、モータ部のθ電機子巻線とＸ電機子巻線が同心円状に長手方向に並ぶように配置されている点、θＸ軸受部が検出器部の負荷側と反負荷側の間、およびモータ部の負荷側と反負荷側の間で出力軸を支持する構成については基本的に第１実施形態と同様なので、説明を省略する。
また、第２の実施形態の動作については基本的に第1実施形態と同様なので、説明を省略する。
【００１９】
したがって、第２の実施形態は、アクチュエータの検出器部として、出力軸の外周に固定された円筒状の直動回転スケールと、第１フレームの内周に固定された直動回転センサヘッドとからなる直動回転検出器部を設け、直動検出器部と回転検出器部の機能を一体化することにより第1の実施形態に比べてさらに部品点数を減らし、小型化を図ることができると共に、さらなる小型化により検出器部での出力軸のがたや偏心をなくすことができる。その結果、出力軸の真直度と回転振れの精度を向上できることから、簡単な構成で出力軸の直動方向および回転方向の変位を容易に精度よく検出することができる。
【実施例３】
【００２０】
図５は第３実施形態を示すアクチュエータの側断面図である。なお、第３実施形態の構成要素が第１実施形態と同じものについては説明を省略する。
第３実施形態の直動回転を行うアクチュエータの特徴を、第1実施形態と異なる点を以下のとおり説明する。
すなわち、第１実施形態のモータ部が第２フレームの内部にθ電機子巻線とＸ電機子巻線を同心円状に重畳して配置した電機子部と、該電機子部と対向配置した界磁部とからなる構成に対して、第３実施形態のモータ部１００ａは、基本的にθ電機子巻線１０３とθ界磁部２０５からなるθモータ部と、Ｘ電機子巻線１０４とＸ界磁部２０７からなるＸモータ部を、第２フレーム１０２の内部に出力軸２０１の長手方向に向かって直列に並べて配置するようにした点で異なる。特にＸモータ部のＸ界磁部２０７は出力軸２０１に取り付けられており、θモータ部のθ界磁部２０５は、出力軸２０１の反負荷側ブラケット１０８側に位置するボールスプライン１０６ａの外周に設けたカラー２０６に取り付けられており、他方のθ電機子巻線１０３は、第２フレーム１０２に取り付けられている。
なお、第３実施形態のθＸ軸受部が検出器部の負荷側と反負荷側の間およびモータ部の負荷側と反負荷側の間で出力軸を支持する構成については基本的に第１実施形態と同様なので、説明を省略する。
また、第３の実施形態の動作については基本的に第1実施形態と同様なので、説明を省略する。
【００２１】
したがって、第３の実施形態は、θ電機子巻線とθ界磁部からなるθモータ部と、Ｘ電機子巻線とＸ界磁部からなるＸモータ部を、同心円状に長手方向に直列に並べて配置すると共に、Ｘモータ部の界磁部が出力軸に取り付けられ、θ界磁部が出力軸の反負荷側ブラケット側に位置するボールスプラインに設けたカラーに取り付けられた構成にしてあるので、Ｘ電機子巻線とＸ界磁部の空隙、およびθ電機子巻線とθ界磁部の空隙が近接することで磁気的ギャップ長が短くなることから出力を大きくすることができる。多少、アクチュエータの長手方向の長さは長くなるが、アクチュエータの出力が大きくなることから、単位体積あたりの出力を多くする事が可能である。
【実施例４】
【００２２】
図６は第４実施形態を示すアクチュエータの側断面図である。なお、第４実施形態の構成要素が第１実施形態〜第３実施形態と同じものについては説明を省略する。
第４実施形態の直動回転を行うアクチュエータの特徴を、第１〜第３実施形態と異なる点を以下のとおり説明する。
すなわち、第１〜第３実施形態に示すアクチュエータの固定子１００、可動子２００に関して、出力軸２０１の負荷側に直動方向と回転方向の変位を検出する検出器部１００ｂが配置されると共に反負荷側に直動と回転駆動用のモータ部１００ａがそれぞれ配置される構成に対して、第４実施形態は、基本的に出力軸２０１の負荷側にリニアスケール３０１とリニアセンサヘッド３０２からなる直動検出器部３００と、Ｘ電機子巻線１０４とＸ界磁部２０７からなるＸモータ部を設けると共に、出力軸２０１の反負荷側にθ電機子巻線１０３とθ界磁部２０５からなるθモータ部と、θエンコーダ４０１と回転センサヘッド４０２からなる回転検出器部４００が配置される構成の点で異なっている。ここで、出力軸２０１の負荷側に配置される直動検出器部３００とＸモータ部の部位は、その両端をθＸ軸受部１０６により支持されると共に、出力軸２０１の反負荷側に配置されるθモータ部と回転検出器部４００の部位は、その両端をθＸ軸受部１０６により支持される構成になっている。
また、モータ部の配置については、θ電機子巻線とＸ電機子巻線が同心円状に長手方向に並ぶように配置されている点で第４実施形態と第３実施形態の構成は同じであるが、第４実施形態は第３実施形態に対して、θ電機子巻線１０３とＸ電機子巻線１０４が第２フレーム１０２と第１フレーム１０１との間に設けられる反負荷側ブラケット１０８の両側に設ける点で異なっている。
また、θモータ部の界磁部の配置については、第３実施形態（図５）が出力軸の反負荷側ブラケット側に位置するボールスプラインの外周に設けたカラーに取り付けられた構成に対して、第４実施形態のθモータ部の界磁部は出力軸２０１の反負荷側ブラケット１０８側に位置するボールスプライン１０６ａの外周と、出力軸２０１のエンドブラケット１０９側に位置するボールスプライン１０６ａの外周との間に設けたカラー２０６に取り付けられている点で異なっている。
さらに、回転検出器部４００の配置については、第３実施形態（図５）が出力軸の負荷側におけるボールスプラインにカラーを介してθエンコーダを取付け、第１フレームに回転センサヘッドを取り付けた構成に対して、第４実施形態は図６に示すように、回転検出器部４００を構成するθエンコーダ４０１を、出力軸２０１の反負荷側に設けたカラー２０６に取り付け、第２フレーム１０２に回転センサヘッド４０２を取り付けた構成の点で異なっている。
また、第４の実施形態の動作については基本的に第1〜第３実施形態と同様なので、説明を省略する。
【００２３】
したがって、第４の実施形態はθ電機子巻線とθ界磁部からなるθモータ部と、Ｘ電機子巻線とＸ界磁部からなるＸモータ部を、同心円状に長手方向に直列に並べて配置すると共に、Ｘモータ部の界磁部が出力軸に取り付けられ、θ界磁部が出力軸の反負荷側ブラケット側に位置するボールスプラインの外周と、出力軸のエンドブラケット側に位置するボールスプラインの外周との間に設けたカラーに取り付けた構成にしてあるので、Ｘ電機子巻線とＸ界磁部の空隙、およびθ電機子巻線とθ界磁部の空隙が近接することで磁気的ギャップ長が短くなることから出力を大きくすることができる。多少、アクチュエータの長手方向の長さは長くなるが、アクチュエータの出力が大きくなることから、単位体積あたりの出力を多くする事が可能である。
【実施例５】
【００２４】
図７は第５実施形態を示すアクチュエータの側断面図である。
第５実施形態の直動回転を行うアクチュエータの特徴は以下のとおりである。
図７において、第５実施形態の直動回転を行うアクチュエータの固定子１００、可動子２００には、出力軸２０１の負荷側に検出器部１００ｂが、反負荷側にモータ部１００ａがそれぞれ配置されている。
モータ部１００ａは、固定子１００側に電機子コアを兼ねた円筒状の第２フレーム１０２、回転方向に回転磁界を発生するθ電機子巻線１０３、直動方向に進行磁界を発生するＸ電機子巻線１０４が同心円状に重畳して設けられている。第２フレーム１０２にはθ電機子巻線１０３とＸ電機子巻線１０４に外部電力を供給するための図示しないモータ端子が設けられている。一方、モータ部１００aの可動子２００側には、Ｘ電機子巻線１０４の内側と磁気的空隙を介して対向配置された界磁部２０２が出力軸２０１に設けられている。なお、可動子の界磁部の詳細については図２と同じであり、電機子巻線と永久磁石の配置関係の詳細については図３と同じであるので、その説明を省略する。
【００２５】
また、検出器部１００ｂは出力軸２０１の直動方向の変位を検出する直動検出器部３００と、出力軸２０１の回転方向の変位を検出する回転検出器部４００とが、同心円状に別々に重畳して配置されており、上記構成の点が前述した第１〜第４実施形態と基本的に異なる部分となっている。
詳細に説明すると、出力軸２０１の外周にベアリング１０６ｂが設けられ、第１フレーム１０１の内周にボールスプライン１０６ａを介して直動自在に移動する中空円筒部材２１０（スケールホルダに相当）が該ベアリング１０６ｂの外輪に固定されて設けられている。回転検出器部４００は出力軸２０１の外周に取り付けられたθエンコーダ４０１と、該θエンコーダ４０１と対向して中空円筒部材２１０の内周に設けられた回転センサヘッド４０２から構成されている。また、直動検出器部３００は中空円筒部材２１０の外周に設けられた光学式のリニアスケール３０１と、第１フレーム１０１の内周に取り付けられた光学式のリニアセンサヘッド３０２から構成されている。
【００２６】
また、支持機構は、上述したように検出器部１００ｂが配置された第１フレーム１０１の両端に配置されたボールスプライン１０６ａと、ボールスプライン１０６ａの内周に中空円筒部材２１０を介して配置されたベアリング１０６ｂとでθＸ軸受部１０６を構成し、モータ部１００ａが配置された第２フレーム１０２の反負荷側に位置するエンドブラケット１０９にボールスプライン１０６ａとベアリング１０６ｂとでθＸ軸受部１０６を構成している。すなわち、検出器１００ｂに位置するθＸ軸受１０６のベアリング１０６ｂの外輪は第１フレーム１０１の内周のボールスプライン１０６ａに沿って移動する中空円筒状部材２１０の内周に固定されると共に、他方のベアリング１０６ｂの内輪は出力軸２０１の外周に固定された状態で、中空円筒状部材２１０に対して出力軸２０１と共に回転するようになっている。
【００２７】
次に動作について説明する。
このように構成されたアクチュエータは、θ電機子巻線１０３に電流を流すことにより界磁部の永久磁石の作る磁界との作用で可動子２００にトルクを発生し、また、Ｘ電機子巻線１０４に電流を流すことにより界磁部の永久磁石の作る磁界との作用で可動子２００に推力が発生し、回転動作と直動動作を行うことができる。
一方のθ電機子巻線１０３のみに電流を供給した際、出力軸２０１が検出器部１００ｂに位置するθＸ軸受１０６のベアリング１０６ｂにより径方向に支持された状態で出力軸２０１と対向する中空円筒状部材２１０に対して相対的に回転する。その時、出力軸２０１の外周に固定されたθエンコーダ４０１が同時に回転し、該θエンコーダ４０１と対向して中空円筒部材２１０の内周に設けられた回転センサヘッド４０２によって、出力軸の回転位置が検出される。
また、他方のＸ電機子巻線１０４のみに電流を供給した際、中空円筒状部材２１０が検出器部１００ｂに位置するθＸ軸受１０６のボールスプライン１０６ａにより軸方向に支持された状態で直動し、中空円筒状部材２１０に径方向に支持された出力軸２０１も同時に直動する。その時、中空円筒状部材２１０の外周に取り付けたリニアスケール３０１が同時に直動し、該リニアスケール３０１と対向して第１フレーム１０１の内周に設けられたリニアセンサヘッド３０２によって、出力軸の直動位置が検出される。
なお、θ電機子巻線１０３およびＸ電機子巻線１０４の両方に電流を供給すると、出力軸２０１が回転すると同時に、中空円筒状部材２１０が直動し、回転検出および直動検出を精度よく行うことができる。
【００２８】
したがって、第５の実施形態は、モータ部は、θ電機子巻線とＸ電機子巻線を同心円状に重畳して配置することによりアクチュエータの長手方向の長さを短くできることから、単位体積あたりの出力を大きくすることができ、高出力のアクチュエータを提供することができる。
また、θＸ軸受部を各１個のボールスプラインと各２個のベアリングにて構成し、かつ、θＸ軸受部を検出器部の両側に配置すると共に、検出器部を構成する回転検出器部と直動検出器部を同心円状に重畳して配置したことで、第１〜第４実施例と比較して更に検出器部での出力軸のがたや偏心をなくすことができ、出力軸の真直度と回転振れの精度をより一層向上することができる。出力軸の真直度と回転振れの精度を更に向上できるので、出力軸に配置された直動検出器のリニアスケールの真直度と回転検出器のθエンコーダの回転振れの精度を向上でき、直動方向の位置と回転方向の角度を精度良く検出することができる。
また、モータ部の反負荷側にエンドブラケットを配置し、θＸ軸受部を介して出力軸を支持する配置することで、θＸ軸受部をモータ部の両側に配置する構成に等価になることから、界磁部のがたや偏心をなくすことができ、ひいては、出力軸のがたや偏心をなくすことができ、出力軸の真直度と回転振れの精度を向上できる。
【実施例６】
【００２９】
図８は第６実施形態を示すアクチュエータの側断面図である。
第６実施形態の直動回転を行うアクチュエータの特徴は以下のとおりである。
図８において、第６実施形態の直動回転を行うアクチュエータの固定子１００、可動子２００には、出力軸２０１の負荷側にモータ部１００ａが、反負荷側に検出器部１００ｂがそれぞれ配置されている。
【００３０】
モータ部１００ａは、固定子１００側に電機子コアを兼ねた円筒状の第１フレーム１０１、回転方向に回転磁界を発生するθ電機子巻線１０３、直動方向に進行磁界を発生するＸ電機子巻線１０４が同心円状に重畳して設けられている。第１フレーム１０１にはθ電機子巻線１０３とＸ電機子巻線１０４に外部電力を供給するための図示しないモータ端子が設けられている。一方、モータ部１００aの可動子２００側には、Ｘ電機子巻線１０４の内側と磁気的空隙を介して対向配置された界磁部２０２が出力軸２０１に設けられている。出力軸２０１は非磁性体であるステンレス鋼でできている。
このように、モータ部１００ａは、θ電機子巻線１０３とＸ電機子巻線１０４を同心円状に重畳して配置することによりアクチュエータの長手方向の長さを短くできることから、単位体積あたりの出力を大きくすることができると考えられる。
【００３１】
また、検出器部１００ｂは出力軸２０１の直動方向の変位を検出する直動検出器部３００と、出力軸２０１の回転方向の変位を検出する回転検出器部４００から構成されている。
直動検出器部３００は出力軸２０１の外周に固定された円筒状で光学式のリニアスケール３０１と、第２フレーム１０２の内周に固定された光学式のリニアセンサヘッド３０２から構成されている。回転検出器部４００は後述するθＸ軸受部１０６のボールスプライン１０６ａにカラー４０３を介して固定されたθエンコーダ４０１と、第２フレーム１０２に固定された回転センサヘッド４０２が配置されている。この回転検出器４００を構成するθエンコーダ４０１には永久磁石が用いられ、回転センサヘッド４０２には当該永久磁石に空隙を介して対向するように第２フレーム１０２内側に円周に均等配置された４個のＭＲ素子やホール素子等の磁気検出素子が用いられ、いわゆる磁気式エンコーダを構成している。なお、第１フレーム１０２には直動検出器部３００と回転検出器部４００に外部から電力を供給し、かつ、位置Ｘと角度θの検出信号を出力する図示しない検出器端子が設けられている。
【００３２】
また、支持機構は、モータ部１００ａが配置された第１フレーム１０１の負荷側には負荷側ブラケット１０７、反負荷側には反負荷側ブラケット１０８が配置されている。負荷側ブラケット１０７と反負荷側ブラケット１０８には、各１個のボールスプライン１０６ａと各２個のベアリング１０６ｂにて構成されたθＸ軸受部１０６がそれぞれ配置されている。なお、検出器部１００ｂが配置された第２フレーム１０２の反負荷側にはエンドキャップ１１０が設けられている。
【００３３】
次に動作について説明する。
このように構成されたアクチュエータは、出力軸２０１の負荷側が、第１フレーム１０１の負荷側ブラケット１０７と反負荷側ブラケット１０８の２箇所にそれぞれ設けられたθＸ軸受部１０６を構成するボールスプライン１０６ａによりＸ方向に直動できるように支持され、出力軸２０１とボールスプライン１０６ａが該ボールスプライン１０６ａと同じ部位の２箇所に設けられたベアリング１０６ｂによりθ方向に回転できるように支持されていることから、固定子１００における第１フレーム１０１の部分に対してモータ部１００ａを配置した出力軸２０１を両持ちで支持すると共にθ方向の回転とＸ方向への直動を自在に移動させることができる。また、出力軸２０１の反負荷側ブラケット１０８側に位置するボールスプライン１０６ａの外側にカラー４０３を介してθエンコーダ４０１を設けたので、検出器部１００ｂを構成する出力軸２０１の反負荷側の長さを短軸化することができる。なお、出力軸端２０１先端には、図示しない負荷が設けられており、負荷（不図示）をθ方向とＸ方向に自在に移動させることができる。
【００３４】
したがって、第６の実施形態は、モータ部をθ電機子巻線とＸ電機子巻線を同心円状に重畳して配置することによりアクチュエータの長手方向の長さを短くできることから、単位体積あたりの出力を大きくすることができ、高出力のアクチュエータを提供することができる。
また、θＸ軸受部を各１個のボールスプラインと各２個のベアリングにて構成すると共に、θＸ軸受部をモータ部の両側に配置したことで、モータ部での出力軸のがたや偏心をなくすことができ、出力軸の真直度と回転振れの精度を向上できる。出力軸の真直度と回転振れの精度を向上できるので、出力軸に配置された直動検出器のリニアスケールの真直度と回転検出器のθエンコーダの回転振れの精度を向上でき、直動方向の位置と回転方向の角度を精度良く検出することができる。
また、出力軸の負荷側にモータ部を配置し、反負荷側に検出器部を配置した構成に加え、反負荷側ブラケットにおけるθＸ軸受部を構成するボールスプラインの部位に回転検出器部を構成するθエンコーダを設けたので、検出器部を構成する出力軸の反負荷側の長さを短軸化することができると共に、θエンコーダは反負荷側ブラケットのベアリングで回転自在に支持されることから、ベアリングのラジアル隙間は平均化された隙間変動となり、数μｍの磁気的ギャップの変動であると考えられる。θエンコーダに例えば永久磁石を用い、θエンコーダと対向する回転センサヘッドにＭＲ素子やホール素子等の磁気検出素子を用いた磁気式エンコーダの場合には、磁気式エンコーダの検出誤差を軽減することができる。
【実施例７】
【００３５】
図９は第７実施形態を示すアクチュエータの側断面図である。
第７実施形態の直動回転を行うアクチュエータの特徴を、第６実施形態と異なる点を以下のとおり説明する。
すなわち、第６実施形態に示すアクチュエータが、第１フレーム側に直動と回転駆動用のモータ部が同心円状に重畳して配置される構成に対して、第７実施形態に示すアクチュエータは、第１フレーム１０１側に配置される直動と回転駆動用のモータ部１００ａのうち、界磁部と電機子部をそれぞれ同心円状に別々に重畳して配置する構成となっている。具体的に説明すると、出力軸２０１の外周にベアリング１０６ｂが設けられ、第１フレーム１０１の内周にボールスプライン１０６ａを介して直動自在に移動する中空円筒部材２１０が該ベアリング１０６ｂの外輪に固定されて設けられている。θモータ部は、出力軸２０１の外周に取り付けられたθ界磁部２０５と、該θ界磁部２０５と対向して中空円筒部材２１０の内周に設けられたθ電機子巻線１０３から構成されている。また、Ｘモータ部は中空円筒部材２１０の外周に設けられたＸ界磁部２０７と、第１フレーム１０１の内周に取り付けられたＸ電機子巻線１０４から構成されている。
また、第６実施形態が、第２フレーム側に回転方向と直動方向との変位をそれぞれ検出する回転検出器部と直動検出器部からなる検出器部が配置される構成に対して、第７実施形態は、直動回転スケール５０１と直動回転センサヘッド５０２よりなる直動回転検出器部５００を設けた構成となっている。
【００３６】
次に動作について説明する。
このように構成されたアクチュエータは、θ電機子巻線１０３に電流を流すことによりθ界磁部２０５の永久磁石の作る磁界との作用で可動子２００にトルクを発生し、また、Ｘ電機子巻線１０４に電流を流すことによりＸ界磁部２０７の永久磁石の作る磁界との作用で可動子２００に推力が発生し、回転動作と直動動作を行うことができる。
一方のθ電機子巻線１０３のみに電流を供給した際、中空円筒部材２１０が出力軸２０１がモータ部１００ａに位置するθＸ軸受１０６のベアリング１０６ｂにより径方向に支持された状態で回転する。その時、出力軸２０１の外周に固定された直動回転スケール５０１が同時に回転し、該直動回転スケール５０１と対向して第２フレーム１０２に取り付けた直動回転センサヘッド５０２により、出力軸２０１の回転位置が検出される。
また、他方のＸ電機子巻線１０４のみに電流を供給した際、中空円筒状部材２１０がモータ部１００ａに位置するθＸ軸受１０６のボールスプライン１０６ａにより軸方向に支持された状態で直動し、中空円筒状部材２１０に径方向に支持された出力軸２０１も同時に直動する。その時、中空円筒状部材２１０の外周に取り付けた直動回転スケール５０１が同時に直動し、出力軸２０１の内周に設けられた第２フレーム１０２に取り付けた直動回転センサヘッド５０２より、出力軸２０１の直動位置が検出される。
【００３７】
したがって、第７の実施形態は、第１フレーム１０１側に配置される直動と回転駆動用のモータ部１００ａにおける界磁部と電機子部をそれぞれ同心円状に個別に重畳して配置することによりアクチュエータの長手方向の長さを短くできることから、単位体積あたりの出力を大きくすることができ、高出力のアクチュエータを提供することができる。
また、θＸ軸受部を各１個のボールスプラインと各２個のベアリングにて構成し、かつ、θＸ軸受部をモータ部の両側に配置すると共に、θモータ部を構成する界磁部と電機子部およびＸモータ部を構成する界磁部と電機子部を同心円状に個別に重畳して配置したことで、第６実施例と比較して更に検出器部での出力軸のがたや偏心をなくすことができ、出力軸の真直度と回転振れの精度をより一層向上することができる。出力軸の真直度と回転振れの精度を更に向上できるので、出力軸に配置された直動検出器のリニアスケールの真直度と回転検出器のθエンコーダの回転振れの精度を向上でき、直動方向の位置と回転方向の角度を精度良く検出することができる。
また、検出器部の反負荷側にエンドブラケットを配置し、θＸ軸受部を介して出力軸を支持する配置することで、θＸ軸受部を検出器部の両側に配置する構成に等価になることから、直動回転スケールのがたや偏心をなくすことができ、ひいては、出力軸のがたや偏心をなくすことができ、出力軸２０１の真直度と回転振れの精度を向上できる。
【実施例８】
【００３８】
図１０は第８実施形態を示すアクチュエータの側断面図である。
第８実施形態の直動回転を行うアクチュエータの特徴を、第１実施形態と異なる点を以下のとおり説明する。
すなわち、第１０実施形態に示すアクチュエータの検出器部１００ｂにおいて、出力軸２０１の外周にベアリング１０６ｂが設けられ、第１フレーム１０１の内周にボールスプライン１０６ａを介して直動自在に移動する中空円筒部材２１０（スケールホルダに相当）が該ベアリング１０６ｂの外輪に固定されて設けられている。このような構成において、直動検出器部３００が中空円筒部材２１０の外周に設けられた光学式のリニアスケール３０１と、第１フレーム１０１の内周に取り付けられた光学式のリニアセンサヘッド３０２から構成されている。
【００３９】
次に動作について説明する。
このように構成されたアクチュエータは、θ電機子巻線１０３に電流を流すことにより界磁部の永久磁石の作る磁界との作用で可動子２００にトルクを発生し、また、Ｘ電機子巻線１０４に電流を流すことにより界磁部の永久磁石の作る磁界との作用で可動子２００に推力が発生し、回転動作と直動動作を行うことができる。
一方のθ電機子巻線１０３のみに電流を供給した際、出力軸２０１が検出器部１００ｂに位置するθＸ軸受１０６のベアリング１０６ｂにより径方向に支持された状態で、出力軸２０１と対向する中空円筒状部材２１０に対して相対的に回転する。なお、このとき、中空円筒状部材２１０は回転しない。
また、他方のＸ電機子巻線１０４のみに電流を供給した際、出力軸２０１は、中空円筒状部材２１０が検出器部１００ｂに位置するθＸ軸受１０６のボールスプライン１０６ａにより軸方向に支持された状態で直動し、その時、外周にリニアスケール３０１を取り付けた中空円筒状部材２１０も同時に直動し、該リニアスケール３０１と対向して第１フレーム１０１の内周に設けられたリニアセンサヘッド３０２によって、出力軸の直動位置が検出される。
なお、θ電機子巻線１０３およびＸ電機子巻線１０４の両方に電流を供給すると、出力軸２０１が回転、直動を同時に行い、回転検出および直動検出を精度よく行うことができる。
【００４０】
したがって、第８の実施形態は、検出器部を構成する直動検出器部のリニアスケールを中空円筒部材に取り付けて、ボールスプラインを介して直動させることで回転止めを行ったので、第１実施例と比較して更に検出器部での出力軸のがたや偏心をなくすことができ、出力軸の真直度と回転振れの精度をより一層向上することができる。
【００４１】
なお、本実施形態において、Ｘ方向の直動の変位の検出に光学式のリニアセンサを用いたが、実施の形態を説明する一例に過ぎず、例えば、磁気的変化を検出するセンサ等を用いても良い。また、θ方向の回転の角度の検出に磁気式のセンサを用いたが、実施の形態を説明する一例に過ぎず、例えば、光の反射（または透過）を検出するセンサ等を用いても良いことは当然である。
また、円滑な支持機構としてボールスプラインやボールベアリングを用いて説明したが、これを一体にしたロータリボールスプラインでも良い。また、必要とされる支持部の精度に応じて変えることは可能であり、すべり軸受や流体軸受等も用いても良い。
また、本実施の形態で説明したアクチュエータは、幅方向を狭くしながら直動方向、回転方向の動作を実現するものであり、幅方向または奥行き方向に複数個連結して使用する用途に適するものである。その際には、直動方向の位置を検出するリニアスケールおよびリニアセンサが前面に位置するように、複数個のアクチュエータが幅方向または奥行き方向に連結される構成となると考えられる。そのような位置関係で複数個のアクチュエータが幅方向または奥行き方向に連結されることで出力軸の幅方向の間隔を狭くすることが可能となると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、１つのアクチュエータで、回転と直動の２つの動作を精密に行う直動回転アクチュエータを提供することができる。よって、直動と回転の２自由度動作が要求されるチップマウンタ装置のマウンタヘッドや各種検査装置の検査ヘッドなどの用途に適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１００  固定子
１００ａ  モータ部
１００ｂ  検出器部
１０１  第1フレーム
１０２  第２フレーム
１０３、１０３ａ  θ電機子巻線、俵形コイル
１０４、１０４ａ  Ｘ電機子巻線、リング形コイル
１０６  θＸ軸受部
１０６ａ  ボールスプライン
１０６ｂ  ベアリング
１０６ｃ  ベアリング
１０７  負荷側ブラケット
１０８  反負荷側ブラケット
１０９  エンドブラケット
１１０  エンドキャップ
２００  可動子
２０１  出力軸
２０２  界磁部
２０３  界磁ヨーク
２０４  永久磁石
２０４ａ、２０４ｂ  ブロック磁石
２０５  θ界磁部
２０６  カラー
２０７  Ｘ界磁部
２１０  中空円筒部材
３００  直動検出器部
３０１  リニアスケール
３０２  リニアセンサヘッド
４００  回転検出器部（磁気エンコーダ)
４０１  θエンコーダ（永久磁石）
４０２  回転センサヘッド（磁気検出素子）
４０３  カラー
５００  直動回転検出器部
５０１  直動回転スケール
５０２  直動回転センサヘッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005206749.tif 000009
【図９】
0005206749.tif 000010
【図１０】
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