(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動用モータの出力軸に遊星式減速機を設け、駆動用モータの回転を遊星式減速機を介して減速した上で摺動部材の直線往復動に変換する直動アクチュエータであって、前記遊星式減速機の出力部材の外周に、前記摺動部材と螺合するねじ部を形成し、前記駆動用モータの外径の少なくとも一部にフラット面を有し、そのフラット面を摺動部材の接触面としたことを特徴とする直動アクチュエータ。
【請求項２】
前記遊星式減速機は、駆動用モータの出力軸に同軸的に設けられた太陽歯車と、回り止めされた前記摺動部材と螺合した出力部材である回転内歯車と、前記太陽歯車と回転内歯車との間にそれら両者と噛合するように介装された複数の遊星歯車と、これら遊星歯車を円周方向等間隔に回転自在に保持するキャリアとで構成された遊星歯車機構であることを特徴とする請求項１に記載の直動アクチュエータ。
【請求項３】
前記遊星式減速機は、駆動用モータの出力軸に同軸的に設けられた太陽歯車と、回り止めされた前記摺動部材と螺合した出力部材である回転内歯車と、前記駆動用モータに固着された固定内歯車と、前記太陽歯車と回転内歯車および固定内歯車との間にそれら両者と噛合するように介装された複数の遊星歯車と、これら遊星歯車を円周方向等間隔に回転自在に保持するキャリアとで構成された不思議遊星歯車機構であることを特徴とする請求項１に記載の直動アクチュエータ。
【請求項４】
前記摺動部材は中空部を有し、その中空部に前記駆動用モータおよび遊星式減速機を収納配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の直動アクチュエータ。
【請求項５】
前記遊星式減速機を構成する各部品および摺動部材を含む構成部品を樹脂製としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の直動アクチュエータ。
【請求項６】
前記樹脂製の構成部品を、ポリアセタール、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイドを含むエンジニアリングプラスチックで成形したことを特徴とする請求項５に記載の直動アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直動アクチュエータに関し、例えばエンターテイメント、医療用鉗子、搬送ハンド用などの小型ロボットに組み込まれ、その小型ロボットの一部を構成する関節部位などを駆動するために、小型軽量で高推力、かつ、高精度の位置決めを必要とする直動アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、直動アクチュエータの従来例としては、特開平９−１８２４０７号公報、特開２０００−３４１９０５公報や特開２００１−８６６９８公報に開示されたものがある。
【０００３】
特開平９−１８２４０７号公報に開示された直動アクチュエータは、固定子コイルを収容した固定子と、永久磁石を軸受により軸線方向に軸支する回転子と、その回転子の内周に設けられた雌ねじと係合可能で、軸支部材により回転がロックされたねじ山付きスピンドルとからなるステッピングモータを具備する。この直動アクチュエータでは、回転子の回転をスピンドルの軸線方向に沿う直線移動に変換するようにしている。
【０００４】
また、特開２０００−３４１９０５公報に開示された直動アクチュエータは、コイルに通電することにより回転するロータ部と、一部にねじ部が形成されたスクリューシャフトと、ロータ部の回転力をスクリューシャフトに伝達する回転伝達機構と、スクリューシャフトの回転力をその軸方向推進力に変換する固定ナット等の運動変換機構と、スクリューシャフトを回転自在および軸方向に摺動自在に保持する軸受とからなる直線駆動型モータを具備する。この直動アクチュエータでは、ロータ部の回転力をスクリューシャフトの軸方向に沿う直線移動に変換するようにしている。
【０００５】
さらに、特開２００１−８６６９８公報に開示された直動アクチュエータは、磁極が周上に分割着磁された永久磁石を有するロータと、磁界を発生させるための巻線および磁極と対向するように配置され、巻線に電流が流れた時に磁極が生成されるステータ磁極部を有するステータと、ロータの回転軸上に貫通した状態でロータに固定され、ステータに設けられた支持部材で支持される駆動シャフトとを具備する。この直動アクチュエータでは、ステータ磁極部における磁極の変化に応じてロータが回転軸回りに回転することにより、駆動シャフトが、ロータと共に回転しながら回転軸に沿って直進運動するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した特開平９−１８２４０７号公報、特開２０００−３４１９０５公報や特開２００１−８６６９８公報に開示された直動アクチュエータのいずれも、減速機構を具備しないため、直動アクチュエータの推力がロータ等からなる駆動部の性能で制限されていることから、例えば、エンターテイメント、医療用鉗子、搬送ハンド用などの小型ロボットの一部を構成する関節部位などを駆動するために用いられる直動アクチュエータ、つまり、小型軽量で高推力、かつ、高精度の位置決めを必要とするような直動アクチュエータに用いることが困難であった。
【０００７】
仮に、前述した構造の直動アクチュエータに減速機構を設けた場合でも、その減速機構を備えた直動アクチュエータ全体の重量が増大し、大型化するという問題も生じることになる。
【０００８】
そこで、本発明は前記問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、簡単な構造により所望の減速比が得られて、小型軽量で高推力、かつ、高精度の位置決めを実現容易にし得る直動アクチュエータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための技術的手段として、本発明は、駆動用モータの出力軸に遊星式減速機を設け、駆動用モータの回転を遊星式減速機を介して減速した上で摺動部材の直線往復動に変換する直動アクチュエータであって、前記遊星式減速機の出力部材の外周に、前記摺動部材と螺合するねじ部を形成し、前記駆動用モータの外径の少なくとも一部にフラット面を有し、そのフラット面を摺動部材の接触面としたことを特徴とする。
【００１０】
この直動アクチュエータでは、駆動用モータの回転を遊星式減速機により所望の減速比でもって減速し、その減速された回転を摺動部材の直線往復動に変換することにより、高推力、高精度の位置決めが実現されるが、この時、摺動部材と螺合するねじ部を遊星式減速機の出力部材の外周に形成したことにより、部品点数を削減して直動アクチュエータの軽量コンパクト化を実現する。また、前記駆動用モータの外径の少なくとも一部にフラット面を有し、そのフラット面を摺動部材の接触面としたことにより、駆動用モータのフラット面が摺動部材の回り止めとして機能するので、回り止め構造を駆動用モータ以外の別部品で用意する必要がなく、部品点数の削減、製造コストの低減が図れる。
【００１１】
なお、前記遊星式減速機としては、駆動用モータの出力軸に同軸的に設けられた太陽歯車と、回り止めされた前記摺動部材と螺合した出力部材である回転内歯車と、前記太陽歯車と回転内歯車との間にそれら両者と噛合するように介装された複数の遊星歯車と、これら遊星歯車を円周方向等間隔に回転自在に保持するキャリアとで構成された遊星歯車機構が好適であり、特に、駆動用モータの出力軸に同軸的に設けられた太陽歯車と、回り止めされた前記摺動部材と螺合した出力部材である回転内歯車と、前記駆動用モータに固着された固定内歯車と、前記太陽歯車と回転内歯車および固定内歯車との間にそれら両者と噛合するように介装された複数の遊星歯車と、これら遊星歯車を円周方向等間隔に回転自在に保持するキャリアとで構成された不思議遊星歯車機構であれば、高減速比が得られる点でより一層好ましい。
【００１２】
本発明の前記構成において、前記直動アクチュエータの出力部分を構成する摺動部材は中空部を有し、その中空部に前記駆動用モータおよび遊星式減速機を収納配置したことを特徴とする。これにより、摺動部材内の空間スペースを有効利用することができて直動アクチュエータ全体のコンパクト化が図れ、摺動部材の直線往復動ストロークを増大させることも容易となる。
【００１４】
本発明の前記構成において、前記遊星式減速機を構成する各部品および摺動部材を含む構成部品を樹脂製としたことを特徴とする。これにより、直動アクチュエータ全体の軽量化が図れ、また、製造コストの低減も実現容易となる。なお、前記樹脂としては、ポリアセタール、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイドを含むエンジニアリングプラスチックが望ましい。エンジニアリングプラスチックを用いれば、構成部品の強度確保および耐磨耗性の向上が図れる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１および図２は本発明の実施形態で、遊星歯車機構からなる遊星式減速機を具備した直動アクチュエータを示す。直動アクチュエータは、小型の駆動用モータ１と、その駆動用モータ１の出力軸２に設けられた遊星式減速機３と、その遊星式減速機３の出力部材（後述の回転内歯車）に螺合した摺動部材（ナット）４とで主要部が構成される。なお、この直動アクチュエータは、例えば直径１０ｍｍ程度、軸方向長さ２０ｍｍ程度を有する小型ユニットである。
【００１６】
駆動用モータ１と遊星式減速機３とは円筒形状を有する摺動部材４の内部に収納配置されている。このように摺動部材４の中空部５に駆動用モータ１および遊星式減速機３を収納配置したことにより、摺動部材４内の空間スペースを有効利用することができて直動アクチュエータ全体のコンパクト化が図れ、摺動部材４の直線往復動ストロークを増大させることも容易となる。
【００１７】
遊星式減速機３は、駆動用モータ１の出力軸２に同軸的に設けられた太陽歯車６と、その太陽歯車６の軸端に転がり軸受７を介して回転自在に支持された出力部材である回転内歯車８と、太陽歯車６と回転内歯車８との間にそれら両者と噛合するように介装された複数の遊星歯車９と、これら遊星歯車９を円周方向等間隔に回転自在に保持するキャリア１０とで構成された遊星歯車機構である。なお、回転内歯車８を太陽歯車６に支持する転がり軸受７は必ずしも必要なものではなく、この転がり軸受７を省略して回転内歯車８を太陽歯車６に滑りだけで直接的に支持するようにしてもよい。
【００１８】
回転内歯車８は円筒形状を有し、その中空部１１の内径に遊星歯車９と噛合する歯部１２が形成され、中空部１１内に遊星歯車９、太陽歯車６およびキャリア１０が収納配置されている。各遊星歯車９はその軸方向両端から突出した軸１３を有し、駆動用モータ１に固定された一方のキャリア１０と転がり軸受７側に位置する他方のキャリア１０により、遊星歯車９の軸１３を回転自在に支持する構造としている。
【００１９】
遊星式減速機３の出力部材である回転内歯車８の外周に摺動部材４と螺合するねじ部であるねじ溝１４を形成する。このように回転内歯車８の外周にねじ溝１４を直接的に形成したことにより、部品点数を削減して直動アクチュエータの軽量コンパクト化を図ることができる。
【００２０】
摺動部材４は、その内径に回転内歯車８と螺合するねじ山１５が形成され、駆動用モータ側端部に回り止め１６が一体的に固着されている。また、摺動部材４の先端部（ストロークエンド）には、抜け止め防止用の突起２０を形成している。駆動用モータ１にはフラットタイプと称される扁平モータを使用することにより、上下に位置するフラット面１７を、直線往復動する摺動部材４と一体の回り止め１６が摺動する接触面とすることで、摺動部材４の軸中心回転が規制されている。
【００２１】
回転内歯車８の回転を摺動部材４の直線往復動に変換する効率を考慮すると、回転内歯車８のねじ溝１４と摺動部材４のねじ山１５のリードは大きい方がよいが、大きくし過ぎると、ねじ溝１４とねじ山１５の噛み合いが少なくなる。このねじ溝１４とねじ山１５の噛み合いを考慮すると、ねじ溝１４とねじ山１５のが最低２ピッチ以上必要である。
【００２２】
なお、直動アクチュエータを小型ロボットに組み込むに際しては、駆動用モータ１の基端部を固定支持し、摺動部材４の外径に、小型ロボットの一部を構成する関節部位などの駆動機構を取り付けるようにすればよい。このように駆動用モータ１を固定側とし、摺動部材４を可動側とすることにより、可動側を軽量化することが可能であるが、逆に、摺動部材４を固定側とし、駆動用モータ１を可動側とすることも可能である。
【００２３】
この直動アクチュエータでは、駆動用モータ１の回転を遊星式減速機３により所望の減速比でもって減速し、その減速された回転を摺動部材４の直線往復動に変換することにより、高推力、高精度の位置決めを実現する。具体的に、駆動用モータ１の出力軸２の回転により遊星式減速機３の太陽歯車６が回転し、この太陽歯車６の回転によりキャリア１０に対して回転自在に支持された遊星歯車９が太陽歯車６の回りで回転することにより、駆動用モータ１の回転が所定の減速比でもって回転内歯車８に伝達される。
【００２４】
この駆動用モータ１に対する回転内歯車８の減速回転により、そのねじ溝１４およびねじ山１５を介して螺合する摺動部材４が回転しようとするが、その摺動部材４の回り止め１６が駆動用モータ１のフラット面１７に接触しているため、摺動部材４の軸中心回転が規制される。このようにして摺動部材４の回り止め１６が駆動用モータ１のフラット面１７を摺動することにより、回転内歯車８の回転が摺動部材４の直線往復動に変換される（図３参照）。この摺動部材４の直線往復動により、小型ロボットの一部を構成する関節部位などを、小型軽量で高推力、かつ、高精度の位置決めで駆動することができる。
【００２５】
このように駆動用モータ１のフラット面１７を摺動部材４が直線往復動する回り止め１６の接触面としたことにより、駆動用モータ１のフラット面１７が摺動部材４の回り止めとして機能するので、摺動部材４の回り止め構造を駆動用モータ１以外の別部品で用意する必要がなく、部品点数の削減、製造コストの低減が図れる。なお、前述した回り止め１６は、摺動部材４と一体成形により製作することも可能である。
【００２６】
この直動アクチュエータを小型ロボットに組み込んで使用する場合、摺動部材４の直線往復動による直動アクチュエータの動作を制御する上でその伸縮位置を検出する必要がある。この直動アクチュエータの伸縮位置の時間変化から直動アクチュエータの伸縮速度を監視することが可能である。直動アクチュエータの伸縮位置を検出するための位置検出器は、直動アクチュエータ自体に組み込んでモジュール化することが可能であり、このモジュール化によりコスト削減やコンパクト化を実現できる。
【００２７】
位置検出器は、例えば駆動用モータ１のフラット面１７上に、プリント基板等の絶縁体を介して、回り止め１６の移動方向（軸方向）と平行に延びる抵抗体を配設し、回り止め１６の一部に前記抵抗体に摺動可能に接触する接点部材（ばね鋼、金メッキ）を装着した構造が実現容易である。この構造では、抵抗体の一端と接点部材との間の抵抗値が直動アクチュエータの伸縮位置に応じて変化するポテンショメータとなる。つまり、抵抗体の両端に一定電圧を印加すると、駆動モータ１側にある抵抗体の一端と、回り止め１６から延びる接点部材との間の電圧が直動アクチュエータの伸縮量に応じて変化し、その変化する電圧値に基づいて直動アクチュエータの伸縮位置を検出することができる。
【００２８】
なお、直動アクチュエータを構成する各部品、つまり、遊星式減速機３を構成する太陽歯車６、遊星歯車９、回転内歯車８や、摺動部材４、回り止め１６を樹脂成形品とする。これにより、直動アクチュエータ全体の軽量化が図れ、製造コストの低減も実現容易となる。使用可能な樹脂としては、ポリアセタール、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイドを含むエンジニアリングプラスチックがある。エンジニアリングプラスチックを用いれば、構成部品の強度確保および耐磨耗性の向上が図れる。また、回転内歯車８のねじ溝１４と摺動部材４のねじ山１５はその表面潤滑性を良好なものとするため、回転内歯車８と摺動部材４には、固体潤滑剤を含浸させた樹脂を使用することが好ましい。
【００２９】
次に、図４は本発明の他の実施形態で、不思議遊星歯車機構からなる遊星式減速機３’を具備した直動アクチュエータを示す。図１の実施形態の直動アクチュエータと同一部分には同一参照符号を付して重複説明は省略する。図４の直動アクチュエータが図１の実施形態と異なる点は、遊星式減速機３’として不思議遊星歯車機構を用いたことにある。この直動アクチュエータでは、駆動用モータ１の回転を遊星式減速機３’により所望の減速比でもって減速し、その減速された回転が摺動部材４の直線往復動に変換される（図５参照）。
【００３０】
遊星式減速機３’は、駆動用モータ１の出力軸２に同軸的に設けられた太陽歯車６と、その太陽歯車６の軸端に転がり軸受７を介して回転自在に支持された回転内歯車８と、駆動用モータ１に固定された固定内歯車１８と、太陽歯車６と回転内歯車８および固定内歯車１８との間にそれら両者と噛合するように介装された複数の遊星歯車９と、これら遊星歯車９を円周方向等間隔に回転自在に保持する二つのキャリア１０とで構成された不思議遊星歯車機構である。なお、固定内歯車１８は円筒形状を有し、その内径に遊星歯車９と噛合する歯部１９が形成され、この固定内歯車１８と回転内歯車８とによって形成された中空部１１内に遊星歯車９、太陽歯車６およびキャリア１０が収納配置されている。
【００３１】
この直動アクチュエータでは、不思議遊星歯車機構からなる遊星式減速機３’において、固定内歯車１８と回転内歯車８とには、歯数差が必要であり、その歯数差が小さいほど減速比が大きくなる。ここで、太陽歯車６の歯数をＡ、回転内歯車８の歯数をＢ、固定内歯車１８の歯数をＣとした場合、この遊星式減速機３’における減速比は、（１＋Ｃ／Ａ）／（１−Ｃ／Ｂ）で得られる。この実施形態の直動アクチュエータでは、遊星歯車機構からなる遊星式減速機を用いた実施形態（図１参照）よりも高減速比が得られる。
【００３２】
なお、前述した二つの実施形態では、遊星式減速機として、遊星歯車機構や不思議遊星歯車機構を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、遊星ローラを用いた遊星式減速機も可能である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、駆動用モータの出力軸に遊星式減速機を設け、駆動用モータの回転を遊星式減速機を介して減速した上で摺動部材の直線往復動に変換する直動アクチュエータであって、前記遊星式減速機の出力部材の外周に、前記摺動部材と螺合するねじ部を形成したことにより、高推力、高精度の位置決めが可能な直動アクチュエータの軽量コンパクト化を実現できる。また、前記駆動用モータの外径の少なくとも一部にフラット面を有し、そのフラット面を摺動部材の接触面としたことにより、駆動用モータが摺動部材の回り止めを兼用できるので、回り止め構造を駆動用モータ以外の別部品で用意する必要がなく、部品点数の削減、製造コストの低減が図れる。
【００３４】
前記直動アクチュエータの出力部分を構成する摺動部材は中空部を有し、その中空部に前記駆動用モータおよび遊星式減速機を収納配置すれば、直動アクチュエータ全体のコンパクト化が図れ、摺動部材の直線往復動ストロークを増大させることも容易となる。
【００３６】
前記遊星式減速機を構成する各部品および摺動部材を含む構成部品を樹脂製とすれば、直動アクチュエータ全体の軽量化が図れ、また、製造コストの低減も実現容易となる。なお、前記樹脂として、ポリアセタール、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイドを含むエンジニアリングプラスチックを用いれば、構成部品の強度確保および耐磨耗性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態で、遊星歯車機構からなる遊星式減速機を具備した直動アクチュエータを示す断面図である。
【図２】図１の直動アクチュエータを示す右側面図である。
【図３】図１の直動アクチュエータを動作させて摺動部材が直線動した状態を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態で、不思議遊星歯車機構からなる遊星式減速機を具備した直動アクチュエータを示す断面図である。
【図５】図４の直動アクチュエータを動作させて摺動部材が直線動した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１  駆動用モータ
２  出力軸
３  遊星式減速機
４  摺動部材
５  中空部
６  太陽歯車
８  出力部材（回転内歯車）
９  遊星歯車
１０  キャリア
１４  ねじ部（ねじ溝）
１７  フラット面
１８  固定内歯車
【図１】
0003977100.tif 000002
【図２】
0003977100.tif 000003
【図３】
0003977100.tif 000004
【図４】
0003977100.tif 000005
【図５】
0003977100.tif 000006