WO2018235212A1 - 回転アクチュエータおよび直動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

回転アクチュエータ（１）では、中空モータ（２）の両側に中空減速機（３、４）が同軸に配置される。回転軸（５）は、中空モータ（２）の中空モータ軸（２２）を貫通する状態に配置される。中空モータ軸（２２）の両側の軸端部に、中空減速機（３、４）の中空入力軸（３３、４３）が連結される。中空減速機（３、４）の中空出力軸（３４、４４）は、中空モータ軸（２２）の両端から突出する回転軸（５）の部分に連結される。回転軸（５）に対する中空出力軸（３４）の連結位置は、回転方向に調整可能である。回転軸（５）によって負荷が回転駆動される。中空モータ（２）の軸方向長さを大きくすることにより、大トルクの回転出力が得られる小径の回転アクチュエータが得られる。

Description

回転アクチュエータおよび直動アクチュエータ

　本発明は、１台の中空モータによって駆動される２台の中空減速機を備えた回転アクチュエータおよび直動アクチュエータに関する。

　アクチュエータ、例えば、回転アクチュエータは、一般に、１台のモータに１台の減速機が接続された構成を備えている。減速機として波動歯車装置を用いた回転アクチュエータは、特許文献１、２において提案されている。特許文献１に開示の減速機ユニットでは、１台のモータと１台のカップ型波動歯車減速機とがタンデムに連結された構造をしている。特許文献２に開示のアクチュエータでは、１台の中空モータと１台のシルクハット型波動歯車減速機とがタンデムに連結された構造をしている。

特開２００７－３２１８７９号公報 特許第４８３３０２８号公報

　ここで、モータは、同一径であっても、軸方向長さを大きくすることにより、容易に発生トルクを大きくできる。しかし、減速機は、外径を増加させることなく、軸方向長さを大きくしたのみでは、伝達トルクを増大させるのに限界がある。このため、モータおよび減速機を備えたアクチュエータにおいて、外径寸法を増加させることなく、発生トルクを大きくすることが容易ではない。

　本発明の課題は、小径でありながら、トルクを容易に大きくできる回転アクチュエータを提供することにある。また、本発明の課題は、小径でありながら、推力を容易に大きくできる直動アクチュエータを提供することにある。

　本発明による回転アクチュエータでは、中空モータの両側に中空減速機が同軸に配置される。回転軸は、中空モータの中空モータ軸の中空部を貫通する状態に配置される。中空モータ軸の両側の端に、それぞれ中空減速機の中空入力軸が連結される。それぞれの中空減速機の中空出力軸は、中空モータ軸の中空部を貫通して延びる回転軸の両端に、それぞれ連結機構を介して、連結される。少なくとも一方の連結機構は、回転軸に対する中空出力軸の連結位置を、回転方向に調整できる構造となっている。

　本発明によれば、中空モータの軸方向長さを大きくして発生トルクを大きくする場合に、中空モータの両側の２台の中空減速機のそれぞれの軸方向長さを大きくすれば、発生トルクの増加に容易に対応できる。よって、アクチュエータ外径を増加させずに、軸方向長さを大きくすることによって、従来の同一外径の回転アクチュエータに比べて大きなトルクを発生可能な小径の回転アクチュエータを容易に実現できる。今までは設置できなかった半径方向に制約のある細長い空間などに、大トルクの回転アクチュエータを設置できる。

　また、連結機構によって、２台の中空減速機の出力軸の間の回転位置のずれを調整できる。１台の中空モータに組み付けた２台の中空減速機の回転位置のずれに起因する弊害を容易に回避できる。このような連結機構は、例えば、長孔を用いたボルト締結、摩擦継手による締結を用いて実現できる。

　ここで、中空減速機として、リング型あるいはフラット型と呼ばれる波動歯車装置を用いると、大きな中空部を容易に確保でき、大径の中空モータ軸を配置できる。また、波動歯車装置を用いると、ソフトワインドアップ領域の回転誤差、ねじり剛性の差などが吸収され、２台の中空減速機の相互干渉が抑制されて、同一外径の既存の回転アクチュエータに対して、２倍に近い出力が得られる。

　本発明は直動アクチュエータに対しても同様に適用可能である。本発明による直動アクチュエータでは、中空モータの両側に中空減速機が同軸に配置される。直動式のねじ軸が、中空モータの中空モータ軸の中空部を貫通する状態に配置される。中空モータ軸の両側の端に、それぞれ中空減速機の中空入力軸が連結される。それぞれの中空減速機の中空出力軸は、ねじ軸に螺合する２個のナットのそれぞれに連結される。また、少なくとも一方の中空減速機の中空出力軸をナットに連結している連結機構は、ナットに対する中空出力軸の連結位置を回転方向に調整できる構造となっている。

　本発明によれば、中空モータの軸方向長さを大きくして、発生トルクを大きくする場合に、中空モータの両側の２台の中空減速機のそれぞれの軸方向長さを大きくすれば、発生トルクの増加に容易に対応できる。アクチュエータ外径を増加させずに、軸方向長さを大きくすることによって、従来の同一外径の直動アクチュエータに比べて大きな推力を発生可能な小径の直動アクチュエータを容易に実現できる。

本発明を適応した実施の形態１に係る回転アクチュエータを示す概略縦断面図である。 図１の回転アクチュエータの改変例を示す概略縦断面図である。 本発明を適応した実施の形態２に係る直動アクチュエータを示す概略縦断面図である。

［実施の形態１］
　図１は実施の形態１に係る回転アクチュエータを示す概略縦断面図である。回転アクチュエータ１は、１台の中空モータ２と、減速比が同一の２台の中空減速機３、４と、１本の回転軸５とを有している。中空モータ２を挟み、中心軸線１ａの方向の両側に、それぞれ中空減速機３、４が同軸に配置されている。回転軸５は、中空モータ２および両側の中空減速機３、４の中心部分を、同軸に貫通した状態に配置されている。本例の中空減速機３、４は同一の減速機であり、中空モータ２を中心として、左右対称の状態に配置されている。中空減速機３、４として大きさ、構造の異なる中空減速機を用いることも可能である。

　中空モータ２は、円筒状のモータハウジング２１と、この内側に同軸に配置した中空モータ軸２２とを備えている。中空モータ軸２２の円形内周面２２ａによって、中心軸線１ａの方向に中空モータ２を貫通するモータ中空部が規定されている。回転軸５は、モータ中空部内、すなわち、中空モータ軸２２内を、同軸に貫通している。中空モータ軸２２の外周面には円筒状の駆動マグネット２４を備えたモータロータが組み付けられている。モータハウジング２１の内周面には駆動コイル２５を備えたモータステータが組み付けられている。

　中空モータ軸２２は、駆動マグネット２４、駆動コイル２５の両側の位置において、ボールベアリング２６、２７を介して、両側の円盤状のフランジ３１ａ、４１ａによって回転自在の状態で支持されている。中空モータ軸２２の両側の軸端部２２ｂ、２２ｃは、フランジ３１ａ、４１ａを超えて、中空減速機３、４の側に延びている。フランジ３１ａ、４１ａは、中空減速機３、４の円筒状の減速機ハウジング３１、４１に一体形成されている。減速機ハウジング３１、４１はモータハウジング２１と同一外径であり、複数本の締結ボルト３２、４２によって、モータハウジング２１に同軸に締結固定されている。

　中空減速機３、４は同一の中空減速機である。一方の中空減速機３は、中空入力軸３３と中空出力軸３４とを備えている。中空入力軸３３および中空出力軸３４は、減速機ハウジング３１の内側に、同軸に配置されている。中空入力軸３３の円形内周面３３ａによって、中心軸線１ａの方向に中空減速機３を貫通する減速機中空部が規定されている。

　減速機中空部の内側、すなわち、中空入力軸３３の内側には、中空モータ軸２２の一方の軸端部２２ｂが同軸に貫通している。本例では、中空入力軸３３の円形内周面３３ａがスプライン穴となっており、軸端部２２ｂがスプライン軸となっている。中空モータ軸２２の軸端部２２ｂに、中空入力軸３３が、スプライン結合により、同軸に連結されている。中空入力軸３３の中心軸線１ａの方向の移動は、固定リング３５ａおよび止め環３５ｂによって拘束されている。

　中空減速機３の中空出力軸３４は、中空モータ軸２２の一端から突出している回転軸５の一方の軸部分５１に、連結機構６を介して、同軸に連結されている。連結機構６は、円筒部材６１と、円筒部材６１を中空出力軸３４に締結固定している複数本の締結ボルト６２とを備えている。円筒部材６１は、ボールベアリング６３を介して、減速機ハウジング３１によって回転自在の状態で支持されている。

　円筒部材６１は、その円形内周面がスプライン穴となっており、回転軸５の軸部分５１において、中空モータ軸２２の端から突出した部位に、スプライン軸部分５１ａが形成されている。回転軸５の軸部分５１に、スプライン結合により、円筒部材６１が同軸に連結されている。

　回転軸５の軸部分５１は、スプライン軸部分５１ａに対して中心軸線１ａの方向の外側の部位において、軸受、例えば、クロスローラベアリング３６を介して、円盤状のエンドプレート３７によって、回転自在の状態で支持されている。エンドプレート３７は、減速機ハウジング３１と同一外径であり、複数本の締結ボルト３２によって、減速機ハウジング３１に同軸に締結固定されている。本例では、軸部分５１の軸端部分５１ｂは、エンドプレート３７から外方に所定量だけ突出している。軸端部分５１ｂに負荷側部材（図示せず）を連結可能である。

　ここで、中空減速機３の中空出力軸３４を回転軸５の軸部分５１に連結している連結機構６は、回転軸５に対する中空出力軸３４の連結位置を、当該中空出力軸３４の回転方向に所定角度だけ調整可能な調整部を備えている。本例の調整部は、円筒部材６１に形成されている締結ボルト６２のボルト通し穴６１ａである。ボルト通し穴６１ａは、締結ボルト６２が、回転方向に所定の遊びのある状態で通される長穴となっている。なお、後述の中空減速機４の中空出力軸４４を、回転軸５の他方の軸部分５２に連結する連結機構７も同様に構成することができる。

　本例の中空減速機３は、リング型あるいはフラット型と呼ばれる波動歯車装置である。中空減速機３は、円筒状の剛性の静止側内歯歯車３８および円筒状の剛性の駆動側内歯歯車３４Ａを備えている。静止側内歯歯車３８および駆動側内歯歯車３４Ａの内側には、これらにかみ合い可能な円筒状の可撓性の外歯歯車３９が同軸に配置されている。外歯歯車３９の内側には、波動発生器３３Ａが嵌め込まれている。

　波動発生器３３Ａは、中空入力軸３３および、この外周面と外歯歯車３９の間に装着した波動発生器ベアリング４０から構成されている。中空入力軸３３の外周面は非円形の外周面、本例では楕円形の外周面である。波動発生器３３Ａによって、外歯歯車３９は楕円状に撓められて、静止側内歯歯車３８、駆動側内歯歯車３４Ａに部分的にかみ合っている。本例の駆動側内歯歯車３４Ａは、中空出力軸３４に一体形成されている。

　次に、他方の中空減速機４は、中空入力軸４３と中空出力軸４４とを備えている。中空入力軸４３の円形内周面４３ａによって、中心軸線１ａの方向に中空減速機４を貫通する減速機中空部が規定されている。中空入力軸４３の内側には、中空モータ軸２２の他方の軸端部２２ｃが同軸に貫通している。中空入力軸４３の円形内周面４３ａがスプライン穴となっており、軸端部２２ｃがスプライン軸となっている。中空モータ軸２２の軸端部２２ｃに、中空入力軸４３が、スプライン結合により、同軸に連結されている。中空入力軸４３は、固定リング４５ａおよび止め環４５ｂによって、中心軸線１ａの方向に移動しないように拘束されている。

　中空出力軸４４は、中空モータ軸２２の他方の端から突出している回転軸５の他方の軸部分５２に、連結機構７を介して、同軸に連結されている。連結機構７は、円筒部材７１と、円筒部材７１を中空出力軸４４に締結固定している複数本の締結ボルト７２とを備えている。円筒部材７１は、ボールベアリング７３を介して、減速機ハウジング３１によって回転自在の状態で支持されている。円筒部材７１は、その円形内周面がスプライン穴となっており、回転軸５の軸部分５２において、中空モータ軸２２の端から突出した部位に、スプライン軸部分５２ａが形成されている。回転軸５の軸部分５２に、スプライン結合により、円筒部材７１が同軸に連結されている。

　回転軸５の軸部分５２は、スプライン軸部分５２ａに対して中心軸線１ａの方向の外側の部位において、軸受、例えば、クロスローラベアリング４６を介して、円盤状のエンドプレート４７によって、回転自在の状態で支持されている。エンドプレート４７は、減速機ハウジング４１と同一外径であり、複数本の締結ボルト４２によって、減速機ハウジング４１に同軸に締結固定されている。軸部分５２の軸端部分５２ｂは、エンドプレート４７から外方に所定量だけ突出している。軸端部分５２ｂに負荷側部材（図示せず）を連結可能である。

　中空減速機４は波動歯車装置であり、円筒状の剛性の静止側内歯歯車４８および円筒状の剛性の駆動側内歯歯車４４Ａを備えている。静止側内歯歯車４８および駆動側内歯歯車４４Ａの内側には、これらにかみ合い可能な円筒状の可撓性の外歯歯車４９が同軸に配置されている。外歯歯車４９の内側には、波動発生器４３Ａが嵌め込まれている。

　波動発生器４３Ａは、中空入力軸４３および、この外周面と外歯歯車４９の間に装着した波動発生器ベアリング５０から構成されている。中空入力軸４３の外周面は非円形の外周面、本例では楕円形の外周面である。波動発生器４３Ａによって、外歯歯車４９は楕円状に撓められて、静止側内歯歯車４８、駆動側内歯歯車４４Ａに部分的にかみ合っている。本例の駆動側内歯歯車４４Ａは、中空出力軸４４に一体形成されている。

　本例の回転アクチュエータ１において、中空モータ２を回転駆動すると、その出力回転が中空モータ軸２２の両端部に連結されている中空減速機３、４の中空入力軸３３、４３、すなわち、波動発生器３３Ａ、４３Ａに伝達される。中空減速機３、４では、同一の減速比で入力回転を減速し、駆動側内歯歯車３４Ａ、４４Ａ、すなわち、中空出力軸３４、４４から減速回転が出力される。回転軸５は中空減速機３、４から出力される減速回転によって回転駆動される。

　中空モータ２の両側に、中空減速機３、４、連結機構６、７が同軸に配列され、これらの中心部分に形成される中空部を貫通して回転軸５が延びている。中空モータ２の軸方向長さを大きくすることにより、小径でありながら、大トルクの回転出力が得られる回転アクチュエータを実現できる。

（改変例）
　本例の回転アクチュエータ１では、回転軸５の両側の軸端部分５１ｂ、５２ｂが、両側のエンドプレート３７、４７から突出している。換言すると、回転軸５は、回転アクチュエータ１の中心部を、中心軸線１ａの方向に、貫通して延びている。例えば、中心軸線１ａの方向における一方の側から回転出力を取り出せばよい場合においては、回転軸５の一方の軸端部分のみを回転アクチュエータ１の端面から突出させる。図２に示す回転アクチュエータ１Ａでは、回転軸５の一方の軸部分５２の軸端部分５２ｂがエンドプレート４７から突出している。回転軸５の他方の軸部分５１は、エンドプレート３７を貫通せずに、その内側に配置されている。また、軸部分５１を支持するクロスローラベアリング３６も省略されている。その他の回転アクチュエータ１Ａの構成は、回転アクチュエータ１の場合と同一である。

［実施の形態２］
　図３は実施の形態２に係る直動アクチュエータを示す概略縦断面図である。直動アクチュエータ１００は、１台の中空モータの出力回転を、２台の中空減速機で減速して、２個のボールねじナットを回転して、ボールねじ軸を直動させる。中空モータおよび２台の中空減速機は、図１の回転アクチュエータ１の中空モータ２、中空減速機３、４と同一である。

　図３を参照して説明すると、直動アクチュエータ１００は、１台の中空モータ２と、減速比が同一の２台の中空減速機３、４と、ボールねじ軸８および２個のボールねじナット１１、１２を備えたボールねじ（回転・直動変換部）とを有している。中空モータ２を挟み、中心軸線１００ａの方向の両側に、それぞれ中空減速機３、４が同軸に配置されている。本例の中空減速機３、４は同一の減速機であり、中空モータ２を中心として、左右対称の状態に配置されている。

　ボールねじ軸８は、モータ中空部および減速機中空部を貫通して延びている。すなわち、ボールねじ軸８は、中空モータ軸２２および中空減速機３、４の中空入力軸３３、４３の内側を、同軸に貫通して延びている。ボールねじ軸８に螺合しているボールねじナット１１、１２は、中空減速機３、４に対して、中心軸線１００ａの方向の外側に、隣接配置されている。ボールねじナット１１、１２は、スラストボールベアリング１３、１４、例えば複式スラストアンギュラボールベアリングを介して、減速機ハウジング３１、４１によって回転自在の状態で支持されている。ボールねじナット１１、１２は、減速機ハウジング３１、４１の開口端から露出しており、ボールねじ軸８の両側の軸端部８ａ、８ｂは、ボールねじナット１１、１２から外側に突出して延びている。

　中空減速機３、４において、中空入力軸３３、４３が、スプライン結合により、中空モータ軸２２の軸端部２２ｂ、２２ｃに同軸に連結されている。中空減速機３、４の中空出力軸３４、４４は、複数本の締結ボルト１５、１６（連結機構）によって、ボールねじナット１１、１２に同軸に連結されている。

　ここで、ボールねじナット１１に対する中空出力軸３４の連結位置を、当該中空出力軸３４の回転方向に所定角度だけ調整可能である。ボールねじナット１１に形成されている締結ボルト１５のボルト通し穴１１ａは、締結ボルト１５が、回転方向に所定の遊びのある状態で通される長穴となっている。中空減速機４の中空出力軸４４を、ボールねじナット１２に連結する連結機構も同様に構成してもよい。

　本例の直動アクチュエータ１００において、中空モータ２を回転駆動すると、その出力回転が中空モータ軸２２の両端部に連結されている中空減速機３、４の中空入力軸３３、４３、すなわち、波動発生器３３Ａ、４３Ａに伝達される。中空減速機３、４では、同一の減速比で入力回転を減速し、駆動側内歯歯車３４Ａ、４４Ａ、すなわち、中空出力軸３４、４４から減速回転が出力される。ボールねじナット１１、１２は、中空減速機３、４から出力される減速回転によってそれぞれ回転駆動される。ボールねじナット１１、１２が回転すると、ボールねじ軸８が中心軸線１ａの方向に移動する。

　中空モータ２の両側に、中空減速機３、４、ボールねじナット１１、１２が同軸に配列され、これらの中心部分に形成される中空部を貫通してボールねじ軸８が延びている。中空モータ２の軸方向長さを大きくすることにより、小径でありながら、大きな推力を発生可能な直動アクチュエータを実現できる。
 

Claims (6)

1. 　１台の中空モータと、
   　減速比が同一の２台の中空減速機と、
   　１本の回転軸と
   を有しており、
   　前記中空モータを挟み、中心軸線の方向の両側に、それぞれ前記中空減速機が同軸に配置されており、
   　前記中空モータは、中空モータ軸と、当該中空モータ軸の中空部によって規定され、前記中心軸線の方向に前記中空モータを貫通するモータ中空部とを備えており、
   　前記中空減速機のそれぞれは、中空入力軸と、中空出力軸と、前記中空入力軸の中空部によって規定され、前記中心軸線の方向に前記中空減速機を貫通する減速機中空部とを備えており、
   　前記回転軸は、前記モータ中空部内を同軸に貫通しており、
   　前記中空モータ軸の両側の軸端部に、前記中空減速機のそれぞれの前記中空入力軸が、同軸に連結されており、
   　前記モータ中空部の両端から突出している前記回転軸の両側の軸部分に、前記中空減速機のそれぞれの前記中空出力軸が、連結機構を介して、同軸に連結されており、
   　少なくとも一方の前記連結機構は、前記回転軸に対する前記中空出力軸の連結位置を当該中空出力軸の回転方向に所定角度だけ調整可能な調整部を備えている
   回転アクチュエータ。
2. 　請求項１において、
   　前記中空入力軸のそれぞれは、前記中空モータ軸の前記軸端部の外周面に、スプライン結合により連結されており、
   　前記連結機構のそれぞれは、前記中空モータ軸の前記軸部分の外周面に、スプライン結合により連結された円筒部材と、前記円筒部材を前記中空出力軸に締結固定している締結ボルトとを備えており、
   　前記連結機構の前記調整部は、前記円筒部材あるいは前記中空出力軸に形成されている前記締結ボルトのボルト通し穴であり、当該ボルト通し穴は、前記締結ボルトが前記回転方向に遊びのある状態で通される長穴である回転アクチュエータ。
3. 　請求項２において、
   　前記中空減速機のそれぞれは、
   　円筒状の剛性の静止側内歯歯車および円筒状の剛性の駆動側内歯歯車と、
   　前記静止側内歯歯車および前記駆動側内歯歯車の内側に同軸に配置され、これらにかみ合い可能な円筒状の可撓性の外歯歯車と、
   　前記外歯歯車の内側に嵌めた波動発生器と
   を備えた波動歯車装置であり、
   　前記波動発生器は、非円形の外周面を備えた前記中空入力軸を備えており、
   　前記駆動側内歯歯車は、前記中空出力軸に一体形成されている回転アクチュエータ。
4. 　１台の中空モータと、
   　減速比が同一の２台の中空減速機と、
   　１本のねじ軸および２個のナットを備えた回転・直動変換部と
   を有しており、
   　前記中空モータを挟み、中心軸線の方向の両側に、それぞれ前記中空減速機が同軸に配置されており、
   　前記中空モータは、中空モータ軸と、当該中空モータ軸の中空部によって規定され、前記中心軸線の方向に前記中空モータを貫通するモータ中空部とを備えており、
   　前記中空減速機のそれぞれは、中空入力軸と、中空出力軸と、前記中空入力軸の中空部によって規定され、前記中心軸線の方向に前記中空減速機を貫通する減速機中空部とを備えており、
   　前記ねじ軸は、前記モータ中空部内を同軸に貫通しており、
   　前記中空モータ軸の両側の軸端部に、前記中空減速機のそれぞれの前記中空入力軸が、同軸に連結されており、
   　前記モータ中空部の両端から突出している前記ねじ軸の両側の軸部分のそれぞれに、前記ナットが螺合しており、
   　前記ナットのそれぞれに、前記中空減速機の前記中空出力軸が、連結機構を介して、同軸に連結されており、
   　少なくとも一方の前記連結機構は、前記ナットに対する前記中空出力軸の連結位置を当該中空出力軸の回転方向に所定角度だけ調整可能な調整部を備えている
   直動アクチュエータ。
5. 　請求項４において、
   　前記中空入力軸のそれぞれは、前記中空モータ軸の前記軸端部の外周面に、スプライン結合により連結されており、
   　前記連結機構のそれぞれは、前記ナットに前記中空出力軸を締結固定している締結ボルトを備えており、
   　前記連結機構の前記調整部は、前記ナットあるいは前記中空出力軸に形成されている前記締結ボルトのボルト通し穴であり、当該ボルト通し穴は、前記締結ボルトが前記回転方向に遊びのある状態で通される長穴である直動アクチュエータ。
6. 　請求項５において、
   　前記中空減速機のそれぞれは、
   　円筒状の剛性の静止側内歯歯車および円筒状の剛性の駆動側内歯歯車と、
   　前記静止側内歯歯車および前記駆動側内歯歯車の内側に同軸に配置され、これらにかみ合い可能な円筒状の可撓性の外歯歯車と、
   　前記外歯歯車の内側に嵌めた波動発生器と
   を備えた波動歯車装置であり、
   　前記波動発生器は、非円形の外周面を備えた前記中空入力軸を備えており、
   　前記駆動側内歯歯車は、前記中空出力軸に一体形成されている直動アクチュエータ。

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