JPH05180299A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ボールねじナットとボールスプラインナットと
を嵌合した駆動軸を有する２自由度アクチュエータの長
さを短縮し、かつ駆動モータの交換容易性、耐衝撃荷重
性を改善する。 【構成】駆動モータ３５を駆動軸２と並列に配設し、ボ
ールねじナット５は駆動モータの出力軸３５ａにベルト
３６を介して連結し、ボールスプラインナット６は駆動
モータの出力軸３５ａにクラッチ２２とブレーキ２１を
介して連結した回転伝達軸１８にベルト２６を介して連
結した。アクチュエータを分解することなく駆動モータ
３５の着脱ができる。また、衝撃荷重によるボールスプ
ラインナット６の指令値に対する回転位相ずれを回転位
置検出器４０で検出して補正しアクチュエータの精度を
保証する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、工作機械，スカラー
型ロボットその他の産業機械装置用として好適に利用で
きるアクチュエータ、特に、１軸でスライドと回転との
２自由度を有アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種のアクチュエータとして
は、例えば特開昭６１−３８８９２号公報に示されるも
のがある。このものは、中空モータ軸を有するモータが
ハウジング内面に固定され、その中空モータ軸に一本の
駆動軸が遊貫されている。その駆動軸の外周面には、後
部にボールねじ溝が前部にボールスプライン溝が、それ
ぞれに形成されていて、後部のボールねじ溝部にはボー
ルねじナットが、また前部のボールスプライン溝部には
ボールスプラインナットがおのおの嵌合されると共に、
各ナットは同一のハウジングにサポートベアリングを介
して回転自在に支持されている。そしてボールねじナッ
トの方は、中空モータ軸の後端に一体回転するように連
結されている。一方、ボールスプラインナットはボール
ねじナットに対してモータを挟んで反対側に配設されて
いるが、モータとの間に電磁クラッチとブレーキとから
なる駆動変換装置が介装されている。そのクラッチのロ
ータは中空モータ軸の前端に固定されており、またブレ
ーキはボールスプラインナットの方に固定されている。
クラッチとブレーキの各電磁コイルは、一方がオンのと
き他方はオフとなるように制御されており、クラッチが
オン，ブレーキがオフの状態でモータを回転させると中
空モータ軸の回転がクラッチのロータの回転を介してボ
ールスプラインナットに伝達される。このときブレーキ
オフのためボールスプラインナットが回転し、これによ
り駆動軸が回転する。

【０００３】これに対して、クラッチがオフ，ブレーキ
がオンの状態でモータを回転させると、中空モータ軸の
回転はクラッチのロータには伝達されず、ボールスプラ
インナットはブレーキで回転を阻止され、したがって中
空軸の回転はボールねじナットの方にのみ伝達され、こ
れにより駆動軸が軸方向に直進運動する。このように、
ボールねじナットとボールスプラインナットとの回転を
制御することで、駆動軸をスライドと回転との２自由度
で操作することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のアクチュエータは、ハウジング内にボールねじナッ
トとモータとクラッチとブレーキとボールスプラインナ
ットとが、１本の駆動軸に沿い一列に配列された構造の
ために、アクチュエータの全長が長くなり過ぎ、取扱い
にくいという問題点があった。また、モータの故障時や
仕様変更時にモータを取り外すことが必要になるが、そ
の場合、直列に配列した全部品をハウジングから取り出
し、かつ多数のボールを介して駆動軸に嵌合されている
各ナットを駆動軸から取り外さねばならず、モータの交
換または変更は容易ではないという問題点があった。

【０００５】さらに、電磁クラッチとブレーキを備えた
駆動変換装置は、外部からの衝撃荷重等ですべりを生じ
やすく、また繰り返しオン・オフされることで微妙なず
れが累積し、ボールねじナットとボールスプラインナッ
トとの間で回転の位相ずれを生じる可能性が高く、これ
を放置すれば駆動軸の位置精度が劣化するという問題点
があった。

【０００６】そこでこの発明は、上記従来の問題点に着
目してなされたもので、ボールねじナットとボールスプ
ラインナットとを嵌合した駆動軸とモータとを並列に配
設することにより、アクチュエータ本体部分が長くなり
過ぎず、また各ナットを駆動軸から取り外すことなくモ
ータの交換ができて取扱易く、かつ衝撃荷重および累積
誤差等に対しても高い位置精度が保証されるアクチュエ
ータを提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するこ
の発明は、ボールねじ溝とボールスプライン溝とを有す
る駆動軸にボールねじナットとボールスプラインナット
とがボールを介して螺着され、それら両ナットは、ベア
リング部の転動体の転動を介して回転可能にハウジング
に支持されるとともに駆動モータに連結されている、ス
ライドと回転の２自由度を有するアクチュエータに係
り、前記駆動モータを前記駆動軸と並列に配設するとと
もに、前記ボールねじナットは前記駆動モータの出力軸
に直結したプーリにベルトを介して連結し、前記ボール
スプラインナットは前記駆動モータの出力軸にクラッチ
とブレーキを介して連結した回転伝達軸のプーリにベル
トを介して連結し、ボールねじナット側の減速比とボー
ルスプラインナット側の減速比とを同一に設定するとと
もに、前記ボールねじナットとボールスプラインナット
の回転を検出する回転位置検出器をいずれか一方のナッ
トまたは前記回転伝達軸に取付けたことを特徴とする。

【０００８】

【作用】駆動モータを駆動軸と並列に配置し、駆動モー
タ出力を各ナットにベルト伝動させる構造であるから、
長さが短縮されると共に、駆動軸からいずれのナットも
取り外すことなく、モータの着脱ができる。クラッチオ
フ、ブレーキオンの状態でモータを駆動すると、回転伝
達軸は非回転のためボールスプラインナットが非回転の
状態でボールねじナットのみ回転駆動されて、駆動軸が
軸方向にスラドする。また、クラッチオン、ブレーキオ
フの状態でモータを駆動すると回転伝達軸も回転駆動さ
れるから、両ナットが共に回転して駆動軸が回転駆動さ
れる。ボールねじナット側の減速比とボールスプライン
ナット側の減速比とが同一に設定してあるから、両ナッ
トは同期回転する。しかし、外部からの衝撃荷重等を受
けると、クラッチとブレーキとからなるトルク伝達機構
のためにすべりを発生して各ナットの位相ずれを生じる
可能性がある。また、繰り返しのオン・オフで微妙な位
置ずれが累積される可能性がある。

【０００９】そこで、ボールねじナットとボールスプラ
インナットの回転の位相差を回転位置検出器で検出して
各ナットの位相ずれを補正することにして、衝撃荷重等
に対しても高い位置精度を保証する。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図面を参照して
説明する。図１ないし図３は、この発明の一実施例であ
る。図中、２は駆動軸としてのボールねじ軸であり、こ
のボールねじ軸２には、ゴシックアーチ溝からなる螺旋
状のボールねじ溝３と共に軸方向に直線状のボールスプ
ライン溝４が軸全長にわたり形成されていて、ボールね
じナット５とボールスプラインナット６とがそれぞれ装
着されている。ボールねじナット５は、ゴシックアーチ
溝からなるボールねじ溝３に対応するゴシックアーチ形
状の図示されないボールねじ溝を内周面に有しており、
そのナットのボールねじ溝と前記ボールねじ軸２のボー
ルねじ溝３との間に図示されない多数のボールが転動自
在に介装されている。またボールねじナット５には、図
示しないがそれらのボールの循環路が形成されており、
ボールはボールねじ軸２とボールねじナット５との相対
回転と共にねじ溝内を転動しつつ螺旋状に移動し、ねじ
溝を１回半ないし３回半回ってからナット内の戻し通路
を経て元の位置に戻り、循環を繰り返す公知の構造にな
っている。上記ボールねじナット５は、支持ベアリング
７を介してボールねじナットのハウジング５Ａに回転自
在に支持されている。

【００１１】一方、ボールスプラインナット６は、ボー
ルねじ軸２に沿って直線的に延びるボールスプライン溝
４に対応する図示されないボールスプライン溝を内周面
に有しており、そのナットのボールスプライン溝と前記
ボールねじ軸２のボールスプライン溝４との間に図示さ
れない多数のボールが転動自在に介装されている。ま
た、ボールスプラインナット６には、図示しないがそれ
らのボールの循環路が形成されており、ボールはボール
ねじ軸２とボールスプラインナット６との相対的な直線
移動と共にねじ溝内を転動しつつ直線方向に移動し、ナ
ット端部に至ってナット内の戻し通路に入りＵターンし
て元の位置にもどり循環を繰り返す構造である。上記ボ
ールスプラインナット６は、やはり支持ベアリング８を
介してボールスプラインナットのハウジング６Ａに回転
自在に支持されている。

【００１２】ボールねじナット５の前端部（図１で左端
部）には、ハウジング５Ａから張り出してプーリ１１が
取付けられている。同じくボールスプラインナット６の
前端部にも、ハウジング６Ａから張り出してプーリ１２
が取付けられている。ボールねじナットのハウジング５
Ａとプーリ１１及びボールスプラインナットのハウジン
グ６Ａとプーリ１２とは、共通のケーシング１３の下部
に収納されており、そのケーシング１３の上部のスペー
ス内には、駆動切換機構１５が配設されている。

【００１３】その駆動切換機構１５は、ケーシング１３
にベアリング１６，１７を介して回転自在に支承される
とともにボールねじ軸２に平行に配設された回転伝達軸
１８を有すると共に、この回転伝達軸１８に装着された
一方のプーリ２０、電磁ブレーキ（以下ブレーキとい
う）２１、電磁クラッチ（以下クラッチという）２２
と、このクラッチ２２のロータ２３に一体回転可能に結
合された他方のプーリ２４を備えている。前記一方のプ
ーリ２０はキー２５を介して回転伝達軸１８に固定され
ており、ボールスプラインナット６に取付けられている
プーリ１２とタイミングベルト２６で連結されている。
ブレーキ２１のブレーキ輪２７は回転伝達軸１８に嵌合
固定され、そのブレーキ輪２７と離接されるブレーキ片
２８及びその駆動用のブレーキコイル２９はケーシング
１３に取付けられている。また、クラッチコイル３０で
駆動されるクラッチ駆動板３１はキー３２を介して回転
伝達軸１８に一体回転可能に取付けられている。一方、
クラッチ２２のロータ２３の方は、先に述べたように他
方のプーリ２４に一体的に結合され、そのプーリ２４は
キー３３で駆動モータとしてのモータ３５の出力軸３５
ａに固定されて、ボールねじナット５に取付けられてい
るプーリ１１とタイミングベルト３６で連結されてい
る。

【００１４】そのモータ３５は、ケーシング１３の外部
に図示しないボルト等の取付手段で着脱可能に取付けら
れている。上記駆動切換機構１５のブレーキ２１とクラ
ッチ２２とは、一方がオンのとき他方がオフとなるよう
に制御される。すなわち、クラッチ２２のロータ２３と
クラッチ駆動板３１とが連結しているときはブレーキ２
１のブレーキ輪２７とブレーキ片２８とが切り離されて
おり、逆に、クラッチ２２のロータ２３とクラッチ駆動
板３１とが切り離されているときはブレーキ２１のブレ
ーキ輪２７とブレーキ片２８とが連結されているよう
に、ブレーキコイル２９及びクラッチコイル３０への通
電が制御される。

【００１５】モータ３５は、例えばサーボモータで、検
出器３８でモータ軸の位置・速度を検出してセミクロー
ズドループでフィードバック制御される。また、ボール
ねじナット５とボールスプラインナット６とのいずれか
一方の端面（各ナットに固定されたプーリの端面でも良
い）には、両ナット５，６の回転位相差を検出するべく
回転位置検出器４０を備えている。これは、モータ３５
のトルクをクラッチ・ブレーキ方式の駆動切換機構１５
を介してボールねじナット５，ボールスプラインナット
６に伝達する構成のため、外部からの衝撃荷重等が負荷
されるとブレーキ２１やクラッチ２２の連結面ですべり
を生じて、各ナット５，６の位相ずれが発生する可能性
があり、その場合に、回転位置検出器４０でクラッチ２
２を介して回転伝達されるボールスプラインナット６の
指令値に対する位相ずれを検出して、その検出情報を用
いてブレーキコイル２９やクラッチコイル３０への通電
を制御し補正動作させるためである。これに用いる回転
位置検出器４０としては、例えば光学式ロータリエンコ
ーダがあり、その場合インクリメンタル型，アブソリュ
ート型いずれでも使用できるが、インクリメンタル型の
場合は角度の変化量しか検出できないため、停電等で電
源が切れると絶対位置がわからなくなり電源投入後に機
械的な絶対位置検出用マークを別のセンサで探すなどの
手間が必要になる。従って、絶対位置を検出できるアブ
ソリュート型光学式ロータリエンコーダが好ましい。

【００１６】なお、図示のボールねじ軸２は、先端にロ
ボットハンド４２、後端にロータリジョイント４３を取
付けた場合を示している。また、ケーシング１３の前面
下部には、そのロボットハンド４２を検出してボールね
じ軸２の後退限を規制するリミッタ４４が、ケーシング
１３の後面には、前記ロータリジョイント４３を検出し
てボールねじ軸２の前進限を規制するリミッタ４５が、
それぞれ取付けられている。４６はメカニカルストッパ
である。

【００１７】次に作用を述べる。上記のアクチュエータ
は、例えばケーシング１３を図外の工作機械やロボット
等の取付部に固定して装着される。クラッチ２２のロー
タ２３がクラッチ駆動板３１から切り離されたクラッチ
オフ、かつ、ブレーキ２１のブレーキ輪２７にブレーキ
片２８が圧接されたブレーキオンの状態でモータ３５を
駆動すると、モータ出力軸３５ａに直結されているプー
リ２４が回転し、タイミングベルト３６を介してプーリ
１１の伝達されてボールねじナット５が回転駆動され
る。一方、回転伝達軸１８は、クラッチ２２のオフによ
りモータ出力軸３５ａとは切り離され自由回転モードに
あるが、ブレーキ２１に拘束されて回転できない。この
ブレーキ力は回転伝達軸１８に固定されたプーリ２０、
タイミングベルト２６、プーリ１２を介して接続された
ボールスプラインナット６に伝達されてその回転を阻止
する。このようにボールスプラインナット６が非回転の
状態で、ボールねじナット５のみ回転駆動されると、ボ
ールねじ軸２はボールスプライン溝４に嵌合しているボ
ールスプラインナット６のボールに案内されて軸方向に
スラドし、モータ３５の回転方向に応じて前後進する。

【００１８】これにたいして、クラッチ２２のロータ２
３とクラッチ駆動板３１とが連結されたクラッチオン、
ブレーキ２１のブレーキ輪２７とブレーキ片２８とは切
り離されたブレーキオフの状態でモータ３５を駆動する
と、モータ出力軸３５ａに直結されているプーリ２４が
回転し、タイミングベルト３６を介してプーリ１１の伝
達されてボールねじナット５が回転駆動される。また、
回転伝達軸１８は、クラッチ２２のオンによりモータ出
力軸３５ａと連結されて一体回転モードになり、しかも
ブレーキ２１に拘束されないから、モータ出力軸３５ａ
の回転は回転伝達軸１８、その回転伝達軸１８に固定さ
れたプーリ２０、タイミングベルト２６、プーリ１２を
介して接続されたボールスプラインナット６に伝達され
る。ボールねじナット５側のプーリ２４，１１の組の減
速比とボールスプラインナット６側のプーリ２０，１２
の組の減速比とは同一に設定してあるから、両ナット
５，６は正確に同期回転する。このように両ナット５，
６が共に回転すると、ボールねじ軸２はボールスプライ
ンナット６の回転方向に応じて正逆に回転駆動される。

【００１９】もし、外部からの衝撃荷重等が負荷され、
ブレーキ２１やクラッチ２２の連結面ですべりを生じる
と、ボールねじナット５，ボールスプラインナット６間
に回転の位相ずれが発生する可能性がある。その場合
は、回転位置検出器４０でボールスプラインナット６の
指令値に対する位相ずれを検出し、その検出信号に基づ
いてブレーキ２１やクラッチ２２の作動を制御してボー
ルスプラインナット６の指令値に対する位相差を補正す
る。これにより、前記位相差の累積によるボールねじ軸
２の位置精度誤差を防止し、アクチュエータの精度が確
保される。

【００２０】上記実施例によれば、モータ３５はケーシ
ング１３への取付けボルトを外せば、簡単に取り外すこ
とが可能であり、ボールねじ軸２からわざわざボールね
じナット５やボールスプラインナット６を取り外す必要
は全くないから、仕様変更，故障等の場合もモータ変更
が容易かつ迅速に行える。また、従来の各構成部品をボ
ールねじ軸２に直列に取付けたものに比し、アクチュエ
ータ本体部分の長さが遙かに短くでき、コンパクト，軽
量で取扱易い。

【００２１】さらに、衝撃荷重等の影響を補正して高精
度を保証することができる。図４に他の実施例を示す。
この実施例は、回転検出器であるロータリエンコーダ４
０を、回転伝達軸１８の先端に取付けたものである。こ
の場合には、回転伝達軸１８の回転を回転検出器４０で
検出することによって、ボールスプラインナット６の回
転数が間接的に検出される。その検出値がパルスカウン
タ５０を経てコントローラ５１に送られて、予め設定さ
れている指令値と比較され、その結果に応じた信号がド
ライバ５２に送られて上記同様にボールスプラインナッ
ト６の指令値に対する位相差が補正される。

【００２２】その他の構成・作用・効果は本質的に異な
る所はない。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明のアクチ
ュエータは、駆動モータ，クラッチ，ブレーキ等の駆動
動力源を駆動軸と並列に配置し、駆動軸に嵌合したボー
ルねじナット，ボールスプラインナットにそのモータ出
力をベルトを介して伝達させる構造であるから、駆動軸
からそれらのナットを取り外すことなく駆動モータの着
脱が簡単にできて、メインテナンスが容易になるという
効果がある。

【００２４】また、アクチュエータ本体部分の長さが短
くなり、かつ重量も軽減されて取扱易いという効果が得
られる。さらに、スライドと回転の２自由度を有しなが
らも耐衝撃荷重性の高い高精度のアクチュエータが得ら
れるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の要部を切り欠いて示す正
面図である。

【図２】図１の下面図である。

【図３】図１の左側面図である（但し、ロボットハンド
を取付けないもの）。

【図４】この発明の他の実施例の要部を切り欠いて示す
正面図である。

【符号の説明】

２ 駆動軸（ボールねじ軸） ３ ボールねじ溝 ４ ボールスプライン溝 ５ ボールねじナット ６ ボールスプラインナット ７ ベアリング ８ ベアリング １１ プーリ １２ プーリ １８ 回転伝達軸 ２０ プーリ ２１ ブレーキ ２２ クラッチ ２４ プーリ ２６ ベルト ３５ 駆動モータ（モータ） ３５ａ （モータの）出力軸 ３６ ベルト ４０ 回転位置検出器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボールねじ溝とボールスプライン溝とを
   有する駆動軸にボールねじナットとボールスプラインナ
   ットとがボールを介して螺着され、それら両ナットはベ
   アリングを介して回転可能にハウジングに支持されると
   ともに駆動モータに連結されている、スライドと回転の
   ２自由度を有するアクチュエータにおいて、 前記駆動モータを前記駆動軸と並列に配設するととも
   に、前記ボールねじナットは前記駆動モータの出力軸に
   直結したプーリにベルトを介して連結し、前記ボールス
   プラインナットは前記駆動モータの出力軸にクラッチと
   ブレーキを介して連結した回転伝達軸のプーリにベルト
   を介して連結し、ボールねじナット側の減速比とボール
   スプラインナット側の減速比とを同一に設定するととも
   に、前記ボールねじナットとボールスプラインナットの
   回転を検出する回転位置検出器をいずれか一方のナット
   または前記回転伝達軸に取付けたことを特徴とするアク
   チュエータ。