(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体に取付けられたモータと、モータ出力軸の回転運動を直進運動に変換し伝達する回転・直進運動変換機構と、直進軸方向の変位量を検出する変位センサと、を含むリニアアクチュエータにおいて、
前記回転・直進運動変換機構は、
前記直進運動の直進出力軸の直進軸方向に設けられた第一の溝を内部に備える筐体と、
外周に、前記直進軸方向に設けられた第二の溝を備え、前記第一の溝と第二の溝との間で転がり支持される複数の第一のボールを介し、筐体に対し直進運動をするボールナット手段と、
筐体に回転自在に軸支され、前記ボールナット手段との間で、複数の第二のボールを介して螺合し、回転運動をするボールねじ軸と、
を含み、
前記変位センサは、
所定の位置関係に配置された励磁コイルおよび検出コイルと、
検出コイルの出力端に入力端が接続された増幅器と、
増幅器の出力端と励磁コイルの入力端との間に設けられ、励磁コイルへの入力波形と検出コイルからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させて前記位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、
前記位相シフトにより生じた周波数偏差を検出する周波数計測手段と、
前記直進出力軸に設けられた、励磁コイルまたは検出コイルの少なくとも一つの空心部に挿入され、長手軸方向に断面積が変化する磁性体の棒状プローブと、
を備え、励磁コイルと検出コイルとの間の空間を含む閉ループの共振状態を維持しつつ、前記棒状プローブが長手軸方向に変位することで生ずる前記周波数偏差から、前記直進出力軸の変位量を検出することを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載のリニアアクチュエータにおいて、前記モータは、超音波モータであることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のリニアアクチュエータにおいて、前記第一の溝および第二の溝は、油中放電加工により設けられたことを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１に記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記励磁コイルは、互いに極性が逆向きに巻かれた二つのコイルが直列に接続されたものであることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転・直進運動変換機構を含むリニアアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転運動を直進運動に変換、伝達する回転・直進運動変換機構およびリニアアクチュエータについて、ロボットの腕、指等の運動、遺伝子操作に用いられるマニピュレータ等、小型軽量でトルクが大きく高精度の送りができる高性能マイクロアクチュエータの要求が高い。従来、回転・直進運動変換機構として、例えばマイクロメータにおいて、ねじとナットを用い、キーとキー溝を筐体とナットの間に設け、ナットの回転を拘束し、ねじの回転運動をナットに結合した出力軸の直進運動に変換するものが知られている。この場合、バックラッシュやキーとキー溝間の摩擦損失等が問題であった。そこで、特開２０００−１６１４６１号公報は、ボールねじに回転運動を与え、ボールねじに複数のボールを介して螺合するボールナットの外周とケーシングとの間にすべり軸受けを設け、ボールナットの回転を拘束して、直進運動に変換する技術を開示する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ボールねじとボールナット、すべり軸受けを用いる従来技術により、リニアアクチュエータのバックラッシュの問題は少なくなる。しかし、従来技術では、摩擦損失の問題が依然として残されている。また、高精度の送りには、高分解能の駆動法、高精度の変位センサが必要であるが、通常用いられる減速機構、レーザ計測等は、アクチュエータが大型となりあるいは外置き装置を要し、小型軽量化が困難である。
【０００４】
本発明は、かかる従来技術の課題を解決し、バックラッシュ、摩擦損失を減らし、小型軽量でトルクが大きく高精度の送りができる高性能の回転・直進運動変換機構を含むリニアアクチュエータを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係るリニアアクチュエータは、筐体に取付けられたモータと、モータ出力軸の回転運動を直進運動に変換し伝達する回転・直進運動変換機構と、直進軸方向の変位量を検出する変位センサと、を含むリニアアクチュエータにおいて、前記回転・直進運動変換機構は、回転運動を、直進運動に変換し伝達する回転・直進運動変換機構であって、前記直進運動の直進出力軸の直進軸方向に設けられた第一の溝を内部に備える筐体と、外周に、前記直進軸方向に設けられた第二の溝を備え、前記第一の溝と第二の溝との間で転がり支持される複数の第一のボールを介し、筐体に対し直進運動をするボールナット手段と、筐体に回転自在に軸支され、前記ボールナット手段との間で、複数の第二のボールを介して螺合し、回転運動をするボールねじ軸と、を含み、前記変位センサは、所定の位置関係に配置された励磁コイルおよび検出コイルと、検出コイルの出力端に入力端が接続された増幅器と、増幅器の出力端と励磁コイルの入力端との間に設けられ、励磁コイルへの入力波形と検出コイルからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させて前記位相差をゼロにシフトする位相シフト回路と、前記位相シフトにより生じた周波数偏差を検出する周波数計測手段と、前記直進出力軸に設けられた、励磁コイルまたは検出コイルの少なくとも一つの空心部に挿入され、長手軸方向に断面積が変化する磁性体の棒状プローブと、を備え、励磁コイルと検出コイルとの間の空間を含む閉ループの共振状態を維持しつつ、前記棒状プローブが長手軸方向に変位することで生ずる前記周波数偏差から、前記直進出力軸の変位量を検出することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係るリニアアクチュエータにおいて、前記モータは超音波モータであることが好ましい。また、本発明に係るリニアアクチュエータにおいて、前記第一の溝および第二の溝は、油中放電加工により設けられたことが好ましい。
【００１１】
本発明に係る回転・直進運動変換機構およびリニアアクチュエータは、ボールねじとボールナット手段を用い、さらに筐体の内側とボールナット手段の外周に直進軸方向溝を設け、これら直進軸方向溝は第一のボールを転がり支持する。すなわち、ボールねじとボールナット手段を用いることで運動伝達の際のバックラッシュの問題を軽減し、さらに筐体と第一ボールによりボールナット手段の回転を拘束し、第一のボールの転がり運動を介し、ボールナット手段は筐体に対し直進運動をするので、回転の拘束に伴う摩擦損失の問題が軽減される。
【００１２】
また、これらの直進軸方向溝は、油中放電加工、例えば油中ワイヤ放電加工により設けられるので、研削加工等と異なり、小型の溝加工ができ、かつ、アブレシブ摩耗痕に比し、滑らかな表面粗さとなり、より摩擦損失が軽減され、小型軽量、高精度が実現できる。
【００１３】
また、リニアアクチュエータの回転駆動源に超音波モータを用いるので、高分解能の回転駆動ができる。さらに、直進出力軸の変位を検出する変位センサを内蔵するので、高精度の送りを実現でき、特に、超音波モータと組合せるときは、超音波モータが有する高分解能の回転駆動の性能を十分に発揮でき小型軽量、高精度が実現できる。
【００１４】
また、発光素子、受光素子を用い、アクチュエータの直進出力軸に設けられた変位検出部に光を入射し、その反射波を検出し、受光素子、増幅器、位相シフト回路、発光素子の順に接続する構成とする。この構成で、前記変位検出部が変位すると、発光素子と受光素子との間の空間を含む閉ループの共振状態を維持しつつ、変位量に応じ周波数偏差を生じるので、直進出力軸の変位量を検出することができる。１ｍｍの変位量で１０ｋＨｚ以上の周波数偏差を生ずるので、ナノメートルオーダーの分解能で変位量が検出でき、小型軽量、高精度が実現できる。
【００１５】
さらに、変位センサとして、検出コイル、増幅器、位相シフト回路、励磁コイルの順に接続し、検出コイルまたは励磁コイルの少なくとも一つの空心部に、長手軸方向に断面積が変化する磁性体の棒状プローブを挿入して配置される構成とする。棒状プローブは、アクチュエータの直進出力軸に設けられる。この構成で、前記棒状プローブが長手軸方向に変位すると、励磁コイルと検出コイルとの間の空間を含む閉ループの共振状態を維持しつつ、変位量に応じ周波数偏差を生じるので、直進出力軸の変位量を検出することができる。１ｍｍの変位量で数ｋＨｚの周波数偏差を生ずるので、０．１〜０．０１マイクロメートルの分解能で変位量が検出でき、小型軽量、高精度が実現できる。
【００１６】
また、励磁コイルは、互いに極性が逆向きに巻かれた二つのコイルが直列に接続されたものであるとする。この場合、この二つのコイルの接続点付近では磁界が打ち消しあい、二つのコイルが同じ特性のときは、ほぼゼロの磁界となってバランスしている。この空心部に磁性体のプローブを挿入して配置する構成とすることで、変位に対する感度が高まり、１ｍｍの変位量で１０ｋＨｚ以上の周波数偏差を生ずるので、マイクロメートルレベルの分解能で変位量が検出でき小型軽量、高精度が実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、リニアアクチュエータ１の直進軸方向の断面図、図２は、図１のＡ−Ａに沿った径方向断面図である。円筒状の筐体３は、ボールナット５と一体で運動するサポート部材６の外周を直進自在に支持し、ボールナット５の内周に螺合するボールねじ７の他端に結合される回転軸９を回転自在に支持する。また、筐体３は、超音波モータ１１を固定し、超音波モータ１１のモータ出力軸１３は、回転軸９と結合され、ボールナット５と一体で運動するサポート部材６は、直進出力軸１５と結合される。超音波モータ１１は、図示されていない駆動制御装置に接続される。超音波モータ以外の小型モータを用いることもできる。筐体３の外形は円筒状以外の直方体、楕円断面形状等でも良い。
【００１８】
ボールナット５は、サポート部材６の変形Ｄ形状の内窓にはめ合わされて、回転が拘束され、また、その長手方向も、ストッパ等の適当な固定手段により、サポート部材６と固定される。したがって、サポート部材６とボールナット５とは、一体として運動する。
【００１９】
筐体３の内部に、リニアアクチュエータ１の長手方向、すなわち、直進出力軸１５の直進軸方向に、第一の溝２１が設けられ、第一の溝２１に対応して、ボールナット５と一体で運動するサポート部材６の外周に、やはり直進軸方向に第二の溝２３が設けられる。第一の溝２１と第二の溝２３は、第一のボール２５を転がり自在に支持する。ボールナット５の内周にらせん溝２７が設けられ、これに対応したらせん溝２９がボールねじ７の外周に設けられる。らせん溝２７とらせん溝２９により第二のボール３１が転がり自在に支持される。回転軸９と筐体３との間にボールベアリング３３が設けられる。
【００２０】
かかる構成の作用を説明する。図示されていない駆動制御装置により、超音波モータ１１が駆動されると、モータ出力軸１３が回転し、回転軸９、ボールねじ７が回転する。ボールねじ７の回転運動エネルギは、第二のボール３１の転がり摩擦を介してボールナット５に伝達される。ボールナット５と一体で運動するサポート部材６は、筐体３との間で回転が拘束されるので、ボールナット５に伝達された運動エネルギは、第一のボール２５の転がり摩擦により、サポート部材６の直進運動エネルギに変換され、サポート部材６は、筐体に設けられた第一の溝２１に沿い、直進運動し、直進出力軸１５がそれに従い直進的に変位する。
【００２１】
このように、運動エネルギの変換は、正確に転がり支持された第二のボール３１、第一のボール２５の転がり摩擦により行われるので、運動伝達の際のバックラッシュの問題を軽減し、また回転の拘束におけるエネルギの損失が、すべり摩擦に比し大幅に改善される。
【００２２】
図１、図２において、サポート部材６と、ボールナット５は別部材として説明したが、この二つの部材をあわせて考えるときは、外周に第二の溝２３を備え、内周にボールナットのらせん溝２７を有する、いわばボールナット手段である。そこで、これら二つの部材を一体構造とし、ボールナットの外周に直接第二の溝２３を設けることもできる。この場合、構造がより簡単になる。
【００２３】
図３は、図２のＢの部分、すなわち、第一のボール２５が、筐体３に設けられた第一の溝２１と、サポート部材６に設けられた第二の溝２３とに転がり支持される部分の拡大断面図である。第一の溝２１、第二の溝２３の形状は、転がり支持に適したものとして公知の、いわゆるゴシック溝と呼ばれる設計がなされる。ゴシック溝の設計においては、第一の溝２１は、Ｏａを中心とする円の一部である円弧部分ａと、Ｏｂを中心とする円の一部である円弧部分ｂを有し、Ｏａ，Ｏｂは、第一のボール２５の中心Ｏから所定の距離だけオフセットした位置に設けられる。このとき、第一のボール２５の中心をＯとすると、第一のボール２５が円弧部分ａ，ｂとそれぞれ一点Ｐａ，Ｐｂで点接触し、Ｐａ−Ｏ−Ｐｂのなす角度が直角になるように、所定のオフセット量が選ばれる。第二の溝２３についても同様にゴシック溝の設計が行われる。
【００２４】
図１、図２において、筐体３の外径を１０ｍｍとするとき、第一のボール２５の直径は０．８ｍｍに選ばれる。このときのゴシック溝設計の一例を示すと、所定のオフセット量の位置精度がプラスマイナス５マイクロメートル以下、溝内面の表面粗さが０．８マイクロメートル以内が要求される。また、筐体３の外径を２０ｍｍとするとき、第一のボール２５の直径は約２ｍｍ以下に選ばれるが、ゴシック溝の所定のオフセット量の位置精度がプラスマイナス５マイクロメートル以下、溝内面の表面粗さが０．８マイクロメートル以内が望ましい。
【００２５】
第一の溝、第二の溝の形状のかかる高精度を確保するため、本発明は、研削加工によらず、ワイヤ放電加工、特に油中において放電加工の電流値を適切に制御して、所定のゴシック溝を設けることを特徴とする。
【００２６】
図４（ａ），（ｂ）は、研削加工と油中放電加工の表面粗さの違いを説明する図である。図４（ａ）に示すように、研削加工による表面は、砥粒によるアブレシブ摩耗の形態を呈し、鋭い引っかき状の摩耗痕の生成が確認でき、その摩耗痕の大きさは、砥石の粒度、結合度等の各種条件に左右され、曲率半径が約１ｍｍ以下の溝内面を表面粗さ０．８マイクロメートル以内に抑えて加工することは困難である。これに対し油中放電加工による表面は、図４（ｂ）に示すように、高電圧を印加したワイヤ電極線による溶解除去による形態を呈し、滑らかなクレータ状の低電流パルス放電痕の生成が確認でき、その放電痕の大きさは電流値により制御可能で、曲率半径が約１ｍｍ以下の溝内面を表面粗さ０．８マイクロメートル以内に抑えて加工することができる。
【００２７】
したがって、油中放電加工により、表面粗さの小さい滑らかな内面を有する、寸法の小さな第一の溝、第二の溝を、高精度の寸法精度で設けることができ、より摩擦損失を軽減でき、小型軽量高精度のリニアアクチュエータを実現できる。
【００２８】
図５は、リニアアクチュエータに光方式変位センサ４１を設けた場合のブロック図である。リニアアクチュエータの直進出力軸１５に近接して、筐体３の内部に発光素子４３と受光素子４５が設けられ、発光素子４３から入射した光を受け、反射して受光素子４５に戻す変位検出部４７が直進出力軸１５に設けられる。受光素子４５からの出力端子と、発光素子４３への入力端子は、信号処理部５１と接続される。信号処理部５１は、受光素子４５からの出力端子が増幅器５３に接続され、増幅器５３と発光素子４３の入力端子との間に位相シフト回路５５が設けられる。位相シフト回路５５に、周波数偏差検出器５７が接続され、さらに、周波数偏差検出器５７に変位量算出器５９が接続される。
【００２９】
このように、発光素子４３と受光素子４５との間の空間、すなわち発光素子４３−変位検出部４７―受光素子４５の光の経路を含めて、ひとつの閉ループ共振回路を形成し、図示されていない電源からエネルギが供給され、位相シフト回路５５の周波数―ゲイン・位相特性を適切に設定することで、共振を持続することができる。このような閉ループ共振回路における位相シフト回路５５の内部構成とその作用については、特開平９−１４５６９１号公報に詳しく述べられている。
【００３０】
図５において、直進出力軸が変位し、発光素子４３と受光素子４５との間の空間、すなわち発光素子４３−変位検出部４７―受光素子４５の光の経路の長さに変化が起こると、それに伴い、発光素子４３への入力信号と受光素子４５からの出力信号との間に位相差が生じ、位相シフト回路５５がその位相差をゼロにするように周波数を変化させる。このときの周波数偏差は、周波数偏差検出器５７で検出され、周波数偏差と変位量の関係式処理を行う変位量算出器５９により、変位量が出力される。数ｍｍの変位量で１０ｋＨｚ以上の周波数偏差を生ずるので、ナノメートルオーダーの分解能で変位量が検出できる。信号処理部５１はリニアアクチュエータ１と一体集積化してもよく、外置き型の別体で構成しても良い。
【００３１】
図６は、リニアアクチュエータにインダクタンス方式変位センサ７１を設けた場合のブロック図である。リニアアクチュエータの直進出力軸１５に近接して、筐体３の内部に励磁コイル７３が設けられ、励磁コイル７３の外周に同心状に検出コイル７５が配置される。また、直進出力軸１５の一部が、長手方向に断面積が変化する円錐状プローブ部分７７を備え、このプローブ部分７７は、磁性体で構成される。そして、プローブ部分７７は、励磁コイル７３・検出コイル７５の空心部に挿入される状態で配置される。検出コイル７５からの出力端子と、励磁コイル７３への入力端子は、信号処理部５１と接続される。信号処理部５１の構成と作用は、図４と同様であるので説明を省略する。
【００３２】
このように、励磁コイル７３と検出コイル７５との間の空間、すなわち励磁コイル７３−プローブ部分７７を含む空心部―検出コイル７５の磁気回路を含めて、ひとつの閉ループ共振回路を形成する。
【００３３】
図６において、直進出力軸１５が変位し、磁性体のプローブ部分７７が、励磁コイル７３・検出コイル７５の空心部を移動すると、磁性体のプローブ部分７７は円錐状なので、空心部内の磁性体の体積が変化する。これにより、励磁コイル７３・検出コイル７５のインダクタンスが変化し、励磁コイル７３と検出コイル７５との間の空間、すなわち励磁コイル７３−プローブ部分７７を含む空心部―検出コイル７５の磁気回路に変化が起こる。それに伴い、励磁コイル７３への入力信号と検出コイル７５からの出力信号との間に位相差が生じ、位相シフト回路５５がその位相差をゼロにするように周波数を変化させる。このときの周波数偏差は、周波数偏差検出器５７で検出され、周波数偏差と変位量の関係式処理を行う変位量算出器５９により、変位量が出力される。１ｍｍの変位量で数ｋＨｚ以上の周波数偏差を生ずるので、０．１〜０．０１マイクロメートルの分解能で変位量が検出できる。
【００３４】
図７は、より感度の高いインダクタンス方式変位センサについて、その検出部分７２を示す。図６と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。この場合、励磁コイル７４に、互いに極性が逆向きに巻かれた二つのコイル７４ａ，７４ｂを直列に接続したものを用いる。この構成では、この二つのコイル７４ａ，７４ｂの接続点付近で磁界が打ち消しあい、二つのコイル７４ａ，７４ｂが同じ特性のときは、ほぼゼロの磁界となってバランスしている。この空心部に磁性体のプローブ部分７７を挿入して配置する構成とすることで、磁性体のプローブ部分７７の挿入によるバランスの変化を検出コイル７５で検出でき、変位に対する感度が一段と高まる。
【００３５】
１ｍｍの変位量で１０ｋＨｚ以上の周波数偏差を生ずるので、簡単な構造で、運動対象物の変位量をマイクロメートルレベルの分解能で変位量が検出できる。
【００３６】
励磁コイルと検出コイルとの位置関係は、図６、図７に示す励磁コイルの外周に検出コイルを配置する他、励磁コイルと検出コイルを直進軸上に並べて配置する等、一定の位置関係が固定される配置方法でも良い。プローブ部分は、励磁コイルと検出コイルの少なくとも一方の空心部内に挿入して配置されることでも良い。プローブ部分は円錐状のほか、円錐の一部、長手軸を回転軸とする関数回転体、角錐の一部等、断面積が変化する他の形状を用いることができる。
【００３７】
このように、リニアアクチュエータの内部に、発光素子・受光素子・変位検出部を設け、または励磁コイル・検出コイル・プローブ部分を設ける簡単な構成で、０．１〜０．０１マイクロメートル、ナノメートルオーダーの変位量の検出が容易にできる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明に係る回転・直進運動変換機構を含むリニアアクチュエータは、バックラッシュ、摩擦損失を減らし、小型軽量でトルクが大きく高精度の送りができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係るリニアアクチュエータの直進軸方向の断面図である。
【図２】  本発明の実施の形態に係るリニアアクチュエータの径方向断面図である。
【図３】  本発明の実施の形態の、第一のボールが、第一の溝と第二の溝２３とに転がり支持される部分の拡大断面図である。
【図４】  研削加工と油中放電加工の表面粗さの違いを説明する図で（ａ）は従来技術の研削加工の場合、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る油中放電加工の場合である。
【図５】  本発明の実施の形態に係るリニアアクチュエータに、参考例として光方式変位センサを設けた場合のブロック図である。
【図６】  本発明の実施の形態に係るリニアアクチュエータに、インダクタンス方式変位センサを設けた場合のブロック図である。
【図７】  本発明の実施の形態に係るリニアアクチュエータに、より感度の高いインダクタンス方式変位センサを設けた場合の、検出部分の図である。
【符号の説明】
１  リニアアクチュエータ、３  筐体、５  ボールナット、６  サポート部材、７  ボールねじ、９  回転軸、１１  超音波モータ、１３  モータ出力軸、１５  直進出力軸、２１  第一の溝、２３  第二の溝、２５  第一のボール、２７，２９  らせん溝、３１  第二のボール、３３  ボールベアリング、４１  光方式変位センサ、４３  発光素子、４５  受光素子、４７  変位検出部、５１  信号処理部、５３  増幅器、５５  位相シフト回路、５７  周波数偏差検出器、５９  変位量算出器、７１  インダクタンス方式変位センサ、７２  検出部分、７３  励磁コイル、７４，７５  検出コイル、７７  プローブ部分。
【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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