(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームに同心円状で出力軸の両端に配置され、直動方向および回転方向に自在に支持する支持機構と、前記出力軸に関して長手方向の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、直動方向を支持する前記支持機構に配置され、回転方向の角度を検出する第１の検出部と、前記出力軸を回転自在に支持する保持器を介して配置され、直動方向の変位を検出する第２の検出部と、を備え、直動方向の変位を検出する前記検出器は、被検出体と検出器から構成され、前記被検出体は、前記出力軸を回転自在に支持する保持器から前記フレームの反負荷側に備えられたフランジの開口を通じて延び直動軸受で支持されるア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、前記フレームに回転方向を自在に支持する軸受が取り付けられ、前記軸受に取り付けられたスリーブを介して直動方向を自在に支持する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】
前記モータ部は、前記フレームと同心状に回転方向に前記出力軸を駆動する電機子巻線と、前記電機子巻線に重畳するように配置され、直動方向に前記出力軸を駆動する電機子巻線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４】
前記モータ部は、前記フレームと同心状に回転方向に前記出力軸を駆動する電機子巻線と、前記出力軸の長手方向に並んで直動方向に前記出力軸を駆動する電機子巻線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５】
前記出力軸は、前記支持機構と、前記保持器と、前記保持器の一端から伸びたアームを支持する直動軸受と、から直動方向および回転方向が支持され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６】
回転方向の角度を検出する前記検出器は、被検出体と検出器から構成され、前記被検出体は、直動方向を支持する前記支持機構に備えられたカラーに取り付けられ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、出願人らは、特許文献１として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、可動子に直接トルクと推力を発生させるようにしている。
【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】
出願人らは、さらに研究を進める中で、高精度化や高出力化が必要となってきた。
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、フレームに同心円状で出力軸の両端に配置され、直動方向および回転方向に自在に支持する支持機構と、前記出力軸に関して長手方向の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、直動方向を支持する前記支持機構に配置され、回転方向の角度を検出する第１の検出部と、前記出力軸を回転自在に支持する保持器を介して配置され、直動方向の変位を検出する第２の検出部と、を備え、直動方向の変位を検出する前記検出器は、被検出体と検出器から構成され、前記被検出体は、前記出力軸を回転自在に支持する保持器から前記フレームの反負荷側に備えられたフランジの開口を通じて延び直動軸受で支持されるアームに取り付けられたものである。
また、請求項２記載の発明は、前記支持機構が、前記フレームに回転方向を自在に支持する軸受が取り付けられ、前記軸受に取り付けられたスリーブを介して直動方向を自在に支持する軸受を備えたものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記モータ部が、前記フレームと同心状に回転方向に前記出力軸を駆動する電機子巻線と、前記電機子巻線に重畳するように配置され、直動方向に前記出力軸を駆動する電機子巻線を備えたものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記モータ部は、前記フレームと同心状に回転方向に前記出力軸を駆動する電機子巻線と、前記出力軸の長手方向に並んで直動方向に前記出力軸を駆動する電機子巻線を備えたものである。
また、請求項５に記載の発明は、前記出力軸が、前記支持機構と、前記保持器と、前記保持器の一端から伸びたアームを支持する直動軸受と、から直動方向および回転方向が支持されたものである。
また、請求項６に記載の発明は、回転方向の角度を検出する前記検出器が、被検出体と検出器から構成され、前記被検出体は、直動方向を支持する前記支持機構に備えられたカラーに取り付けられたものである。
【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】その他の支持機構を示す側断面図
【図３】第１実施形態を示す界磁部の断面図
【図４】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５】第２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。
【０００９】
（第１実施形態）
アクチュエータについて、図１を用いて説明する。なお、第１実施形態を示す直動回転アクチュエータのＸ方向は鉛直方向の下向きとなるように設置している。
固定子１００のモータ部１００ａは、電機子コアを兼ねた円筒状のモータフレーム１０１、θ電機子巻線１０３、Ｘ電機子巻線１０４が同心円状に設けられている。さらに、モータフレーム１０１にはθ電機子巻線１０３とＸ電機子巻線１０４に外部から電力を供給するための不図示のモータ端子が設けられている。
このように、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。
【００１０】
可動子２００は、出力軸２０１、界磁部２０２から構成されていて、出力軸２０１は非磁性体であるステンレス鋼製で負荷側から反負荷側まで貫通した中空穴２０５が設けられている。出力軸２０１は、その負荷側と反負荷側のフランジ３０１ａ、３０１ｂの２箇所に設けられたボールスプライン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、固定子１００に対しθ方向とＸ方向に移動可能となっている。また、出力軸２０１の反負荷側は、ベアリング１０６ｃにより支持され、固定子１００に対しθ方向に移動可能となっている。また、出力軸２０１の先端には負荷（図示しない）が配置され、負荷をθ方向とＸ方向に自在に移動させることができるようになっている。
【００１１】
モータフレーム１０１の負荷側および反負荷側には、ベアリング１０６ｂの外輪がモータフレーム１０１の内周面に固定され、ベアリング１０６ｂの内輪はスリーブ１０９を介してベアリング１０６ｂと同心上にボールスプライン１０６ａが配置されている。モータ部１００ａの負荷側および反負荷側をボールスプライン１０６ａとベアリング１０６ｂから構成された軸受ユニット１０６でＸ方向への直動とθ方向の回転を自在に両持ちで保持することで精度良く直動回転支持することが可能である。
また、ボールスプライン１０６ａとベアリング１０６ｂの構成において、ベアリング１０６ｂの内輪はスリーブ１０９を介してベアリング１０６ｂと同心上にボールスプライン１０６ａが配置され構成について説明したが、その他の例としては、図２に示すように、ベアリング１０６ｂの内輪にフランジ３０１ａ（３０１ｂ）に固定され、ベアリング１０６ｂの外輪がスリーブ１０９を介してボールスプライン１０６ａと連結される。このような構成にすることにより、出力軸２０１は、負荷側および反負荷側をボールスプライン１０６ａとベアリング１０６ｂから構成された軸受ユニット１０６でＸ方向への直動とθ方向の回転を自在に両持ちで保持することで精度良く直動回転支持することが可能である。
【００１２】
出力軸２０１の反負荷側は、ベアリング１０６ｃにより支持され、ベアリング１０６ｃの外輪はブラケット１１０に保持され、アーム１１１の一端が備えられている。アーム１１１はフランジ３０１ｂの開口部３０２を通じてモータフレーム１０１の外面に備えられたリニアガイド１１２に取り付けられ、アーム１１１にはリニアスケール４０１が取り付けられている。このリニアスケール４０１に対向するようにリニアセンサ４０２が配置され、出力軸２０１のＸ方向の直動動作を検出している。
このように、出力軸２０１は、負荷側および反負荷側のボールスプライン１０６ａによって支持されるとともに、ベアリング１０６ｃを介して連結されたアーム１１１がリニアガイド１１２により支持されることで支持剛性が高くなることから精度よく、直動支持が可能である。また、アーム１１１に取り付けられたリニアスケール４０１もリニアガイド１１２で支持され、アーム１１１がベアリング１０６ｃの外輪に保持されているので、リニアセンサ４０２との光路長がベアリング１０６ｃのラジアル隙間およびリニアガイド１１２のアキシャル隙間の平均化した隙間変動となり、数μｍの隙間変動に抑制でき、リニアセンサ４０２は隙間変動による検出誤差が軽減できると考えられる。
また、出力軸２０１の反負荷側のボールスプライン１０６ａにはカラー４０３が取り付けられ、ベアリング１０６ｂに回転自在に支持されている。カラー４０３の円筒面にはリング状の永久磁石４０４ａが取り付けられている。永久磁石４０４ａに空隙を介して対向するよう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４０４ｂが配置され、磁気式エンコーダ４０４が構成されている。
このように、永久磁石４０４ａは、出力軸２０１の負荷側および反負荷側のベアリング１０６ｂで回転自在に支持されており、ベアリング１０６ｂのラジアル隙間の平均化した隙間変動となり、数μｍの磁気的ギャップの変動であると考えられることから、磁気式エンコーダの検出誤差が軽減できると考えられる。
【００１３】
図３は可動子の界磁部を側面から見た断面図とＸ方向から見た断面図である。なお、Ｘ方向から見た断面図は、側面から見た断面図のＡ、Ｂ部における断面図となっている。また、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４は、図３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】
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】
出力軸２０１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２０１は磁束を通さないので、検出器部１００ｂへの界磁部２０２の漏れ磁束を低減することができ、界磁部２０２の漏れ磁束により発生していた検出器部１００ｂの検出誤差を低減できる。
中空穴２０５を設けたことで、中空穴２０５に空気（冷媒）を通すことができ、出力軸２０１を冷却することができる。出力軸２０１は、モータ部１００ａから発生した熱によりに熱膨張するので、出力軸２０１を冷却することができることにより、出力軸２０１の直動方向の熱変形を減少することができ、出力軸２０１の直動方向の位置誤差を低減できる。また、中空穴２０５を真空にすることができ、出力軸２０１の負荷側の先端に部品を吸着することができる。また、継ぎ手２０７を介して中空穴２０５を圧空にすることができ、出力軸２０１の負荷側の先端から部品を脱着することができる。
【００１７】
（第２実施形態）
第２実施形態を示すアクチュエータについて図５を用いて説明する。
固定子１００のモータ部１００ａは、電機子コアを兼ねた円筒状のモータフレーム１０１、θ電機子巻線１０３、Ｘ電機子巻線１０４が同心円状に設けられている。さらに、モータフレーム１０１にはθ電機子巻線１０３とＸ電機子巻線１０４に外部から電力を供給するための不図示のモータ端子が設けられている。
【００１８】
可動子２００は、出力軸２０１、界磁部２０２から構成されていて、界磁部２０２は、Ｘ界磁部２０２ａとθ界磁部２０２ｂが同心円状に長手方向に並ぶように配置されている。Ｘ界磁部２０２ａは出力軸２０１に取り付けられ、θ界磁部は出力軸２０１の負荷側のボールスプライン１０６ａに取り付けられたカラー４０５に取り付けられている。出力軸２０１は非磁性体であるステンレス鋼製で負荷側から反負荷側まで貫通した中空穴２０５が設けられている。出力軸２０１は、その負荷側と反負荷側のフランジ３０１ａ、３０１ｂの２箇所に設けられたボールスプライン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、固定子１００に対しθ方向とＸ方向に移動可能となっている。また、出力軸２０１の反負荷側は、ベアリング１０６ｃにより支持され、固定子１００に対しθ方向に移動可能となっている。また、出力軸２０１の先端には負荷（図示しない）が配置され、負荷をθ方向とＸ方向に自在に移動させることができるようになっている。
【００１９】
このように、モータ部１００ａを構成することにより、Ｘ電機子巻線１０４とＸ界磁部２０２ａの空隙、およびθ電機子巻線１０３とθ界磁部２０２ｂの空隙は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できると考えられる。
その他の出力軸の支持機構および検出器の構成は第１の実施形態と同様であるので、説明を割愛する。
【００２０】
このような構成にすることによって、単位体積あたりの出力を大きくすることができるとともに、複数個の支持機構により出力軸が高剛性に支持されることから検出部において、空隙の変動に伴う検出誤差等の問題が解決することができると考えられる。
尚、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。
【００２１】
また、本実施の形態で説明したアクチュエータは、図１および図５のＸ方向を重力方向となるように出力軸が向くように配置されるケースが多い。このような場合、モータ部１００ａへの通電を切ると、可動子２００の自重により出力軸は重力方向へ落下する場合がある。これに対して、フレーム１０１に保持された反負荷側のベアリング１０６ｂのブラケットとベアリング１０６ｃの保持器１１０間に復元力を発生する弾性機構、例えば、つる巻きばね等を挿入する、または、Ｘ電機巻線１０３にＸ界磁部２０２との間に磁気回路を構成する固定子コアを構成することによりＸ界磁部２０２との間で発生する磁気吸引力により可動子２００を保持することが考えられる。
【００２２】
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４０１およびリニアセンサ４０２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２０１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。
【符号の説明】
【００２３】
１００      固定子
１００ａ    モータ部
１００ｂ    検出器部
１０１      モータフレーム
１０２      電機子コア
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
２００      可動子
２０１      出力軸
２０２      界磁部
２０３      界磁ヨーク
２０４ａ、２０４ｂ  ブロック磁石
２０５      中空穴
【図１】
0005126304.tif 000002
【図２】
0005126304.tif 000003
【図３】
0005126304.tif 000004
【図４】
0005126304.tif 000005
【図５】
0005126304.tif 000006