JP3819571B2 - 出力装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転方向及び上下方向の運動を出力することが可能な出力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ロボットの腕を動かしたり、ＮＣ工作機のテーブルの位置決めに用いられる出力装置には、サーボモータ或いはサーボモータにシリンダを組み合わすなどして回転及び上下方向の運動が出力されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなサーボモータとシリンダを組み合わせた出力装置では、動力が区別されるため、回転角度、停止位置或いは回転スピードなど任意の出力設定機能をもつサーボモータに対し、上下方向の出力に使用されるシリンダのほとんどが２位置等の単機能出力であることから、両者の使用機能がアンバランスになり、任意の出力が可能なサーボモータの機能を損なうものでもあった。
また、回転を与えるサーボモータにはトルクリミッタが機能して、緊急時に動力の伝達が解除されるのに対し、上下方向の運動を与えるシリンダにはリミッタ機構が設けられておらず、安全性の面から問題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、回転方向及び上下方向の出力を任意に設定でき、また回転方向及び上下方向の動作にリミッタ機能を有する出力装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の出力装置は、コイルが巻回され円周方向に配設されたステータと、前記ステータに対面する複数の永久磁石が固着され、回転中心に中空部をもって形成された回転体とを備え、前記コイルへの通電により発生する磁束によって前記回転体を任意に回転させる第一サーボモータと、前記回転体に対して固設され、回転を出力するモータ軸を任意に回転させる第二サーボモータと、前記回転体の中空部内に回転自在に支持され、前記第二サーボモータのモータ軸に連結された円筒形状の雌ネジホルダと、前記雌ネジホルダ内周面に設けられた雌磁気ネジと、前記第一サーボモータの回転体に対して回転することなく軸方向にのみ移動自在であって、前記雌磁気ネジ内に装填された円筒形状の雄ネジホルダと、前記雄ネジホルダの外周面に設けられた雄磁気ネジと、前記雄磁気ネジと一体に設けられ、前記第一サーボモータの中空部から突設された出力軸とを有することを特徴とする。
【０００６】
よって、第一サーボモータへの通電により励磁されたコイルに磁束が発生して永久磁石に回転方向の力が与えられ、これによって回転体が所定角度回転すると、その回転体の回転が雄磁気ネジと一体の出力軸に伝達され、その出力軸から回転が出力されることとなる。一方、第二サーボモータが通電され、そのモータ軸から所定角度の回転が出力されると、そのモータ軸に連結された雌ネジホルダ及び雌磁気ネジが回転し、その雌磁気ネジと磁力によって吸引し合っている雄磁気ネジに動力が伝達される。しかし、雄ネジホルダの回転が制限されているため、雄磁気ネジには軸方向の力のみが作用し、出力軸には軸方向の直線運動が出力されることとなる。
そのため、第一サーボモータによる回転運動と第二サーボモータによる直線運動とが出力軸から出力され、それぞれ回転及び上下方向の出力が任意に設定できる。また、第一サーボモータ及び第二サーボモータが磁力で駆動するため、過大な負荷に対してトルクリミッタ機能が働く。
【０００７】
また、本発明の出力装置は、前記出力軸は、前記第一サーボモータの回転体に対して回転することなく軸方向にのみ移動自在に装填されたロッドに前記雄磁気ネジが一体に形成されたものであることを特徴とする。
よって、回転する雌磁気ネジとの吸引力によって動力が伝達される雄磁気ネジには、軸方向にのみ移動自在に装填されたロッドが一体に形成されているため、そのロッドを軸方向に移動させるように直線移動する。
また、本発明の出力装置は、前記出力軸は、前記第二サーボモータに固定されたロッドに対し、回転することなく軸方向にのみ移動自在にはめ込まれた前記雄ネジホルダであることを特徴とする。
よって、回転する雌磁気ネジとの吸引力によって動力が伝達される雄磁気ネジは、軸方向にのみ移動自在な雄ネジホルダに形成されているので、その雄ネジホルダを軸方向に移動させるように直線移動する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る出力装置の一実施の形態について具体的の説明する。図１は、出力装置の第１実施の形態を示した断面図である。
本実施の形態の出力装置は、ダイレクトドライブモータ（以下、「ＤＤモータ」という）が回転方向出力の動力源となるものである。この出力装置は、モータ取付台１上にＤＤモータ２が固定され、下方には磁気ネジに連結されたステッピングモータ３を画設した支持筒４が固定されている。ステッピングモータ３が、上下方向出力の動力源となるものである。
【０００９】
先ず、ＤＤモータ２はの構成を簡単に説明する。ＤＤモータ２は、モータ取付台１上面に円筒形状のモータ固定台１１が固定されて支持されている。
そして、このモータ固定台１１を内側と外側から挟み込むように形成された二重円筒形の回転体１２が、モータ固定台１１上方からかぶさるようにして取り付けられている。
モータ固定台１１の内周面には、回転体１２との間にベアリング１３，１３が上下に設けられ、そのモータ固定台１１に対して回転体１２が回転自在に支持されている。一方、モータ固定台１１の外周面にはコイル１４が巻かれたステータ１５が円周方向に設けられ、そのステータ１５に対面するよう回転体１２の内周面に複数の永久磁石１６が固着されている。そして、回転体１２の上面には回転板１７が貼設されている。
【００１０】
次に、このような回転運動を与えるＤＤモータ２には、磁気ネジを備えた上下駆動部５が組み付けられている。ＤＤモータ２の回転体１２の回転中心には、筒形状の支持ホルダ２１が嵌合され、その回転体１２と一体に回転するよう構成されている。
この支持ホルダ２１は、モータ取付台１から下にかけて拡径し、その拡径部には上下にベアリング２２，２２が嵌合され、支持ホルダ２１内に嵌挿された雌ネジホルダ２３が、そのベアリング２２，２２によって回転支持されている。そして、雌ネジホルダ２３の内周面には螺旋状に着磁された雌磁気ネジ２４が形成されている。
【００１１】
また、このように支持ホルダ２１内に回転支持された雌ネジホルダ２３は、カップリング２５を介してステッピングモータ３のモータ軸３ａに連結されている。このステッピングモータ３は、円筒形状の支柱２６によって支持ホルダ２１に吊設され、支持ホルダ２１と一体に回転するよう構成されている。
一方、雌磁気ネジ２４内には、先端がＤＤモータ２から突出するようにロッド３１が挿入されている。ロッド３１は、ボールスプライン軸をなし、回転体１２側に固定されたボールスプライン軸受３２に挿入され、回転体１２に対してロッド３１が回転しないよう構成されている。そして、そのロッド３１の下端部には軸方向所定寸法幅で雄ネジホルダ３３が嵌合され、その外周面に雄磁気ネジ３４が形成されている。
【００１２】
次に、本実施の形態の出力装置を構成する磁気ネジの構成について簡単に説明する。図２は、雄磁気ネジ及び雌磁気ネジを示す分解斜視図である。
雄磁気ネジ３４は、図２に示すように、ロッド３１に嵌合された雄ネジホルダ３３の外周に嵌合され接着された円筒磁石３５より構成されている。雄ネジホルダ３３は、高透磁性の材料（例えば鉄 、酸化鉄、ニッケル、コバルト若しくはこれらを主成分とする合金その他の化合物等）より成形されている。円筒磁石３５には、螺旋状に形成された着磁帯３６が形成され、隣接する着磁帯同士は極性が逆に着磁されている。すなわち、Ｎ極着磁帯３６Ｎの隣には必ずＳ極着磁帯３６Ｓが着磁されている。そのため、雄磁気ネジ３４の表面には、図２に示すようにＮ極着磁帯３６ＮとＳ極着磁帯３６Ｓとが交互に着磁された螺旋状の着磁帯３６が整然と形成されている。
【００１３】
一方、円筒形状の雌ネジホルダ２３内には、その内周に嵌合された円筒磁石２７に雌磁気ネジ２６が形成されている。
雌ネジホルダ２３も、高透磁性材料（例えば鉄、酸化鉄、ニッケル、コバルト若しくはこれらを主成分とする合金その他化合物等）から成形され、その内周面に嵌合された円筒磁石２７には、図２に示すような雄磁気ネジ３４と同様に螺旋状にＮ極着磁帯２８ＮとＳ極着磁帯２８Ｓとが交互に螺旋状に着磁された着磁帯２８が形成されている。
【００１４】
そして、このような雄磁気ネジ３４及び雌磁気ネジ２６は、雄ネジホルダ３３及び雌ネジホルダ２３を強度部材として挿入するため、機械的強度を高めることができる。そのため、円筒磁石３５及び円筒磁石２７は、磁石材料としては優れる反面、材質的に脆いフェライト系や希土類系の材料であっても問題なく使用することができる。
また、このような強度部材を高透磁性の材料で構成すれば、円筒磁石３５及び円筒磁石２７の強い磁力を更に有効に利用することができる。
【００１５】
そこで、このような構成からなる本実施の形態の出力装置は、以下のようにして回転運動及び上下運動が出力される。
先ず、回転運動を出力する場合には、ＤＤモータ２がコントロールされる。
図示しないコントローラによりコイル１４が通電されると、これによりステータ１５の周りに磁束が発生し、永久磁石１６に対する吸引力及び反発力として作用するため、回転体１２に所定方向の回転が与えられる。
回転体１２の回転は、その円筒内に一体に嵌合された支持ホルダ２１をも同時に回転させる。また、その回転体１２には回転板１７及びボールスプライン軸受３２も一体に構成されて同時に回転するため、そのボールスプライン軸受３２に回転が制限されて挿入されたロッド３１にも回転が与えられる。従って、ＤＤモータ２の回転をコントロールすることにより、ロッド３１から回転が出力されることとなる。
【００１６】
次に、上下運動を出力する場合には、ステッピングモータ３がコントロールされる。
ＤＤモータ２の回転を停止させ、或いはその回転と同時に図示しないコントローラによりステッピングモータ３が通電されると、発生する磁束によってロータに回転が与えられ、そのモータ軸３ａから所定方向の回転が出力される。モータ軸３ａの回転により、カップリング２５によって連結された雌ネジホルダ２３に回転が伝達され、その内周面に形成された雌磁気ネジ２４に回転が与えられることとなる。
ところで、雄磁気ネジ３４と雌磁気ネジ２４とは、その着磁帯３６，２８が異極同士（３６Ｎと２８Ｓ，３６Ｓと２８Ｎ）吸引し合っている。そこで、雌磁気ネジ２４に回転が与えられると、その回転に雄磁気ネジ３４が追随しようとする。しかし、ロッド３１の回転がボールスプライン軸受３２によって制限されているため、その雄磁気ネジ３４には推力が作用してロッド３１が上方或いは下方に移動することとなる。
【００１７】
よって、以上のような構成による本実施の形態の出力装置によれば、ＤＤモータ２によって回転運動を出力し、磁気ネジ３４，２４を設けたステッピングモータ３によって上下運動を出力するようにしたので、いずれの出力も任意にその出力を制御することができるようになった。
また、ＤＤモータ２及びステッピングモータ３が磁力で駆動するため、過大な負荷に対してトルクリミッタ機能が働くため、取り付けたアームや関係機械の破損が防止されるようになった。更には、出力時に手を挟むような緊急時にも、リミット作用により危険が回避されることとなった。
【００１８】
また、上下運動の出力に使用した磁気ネジも雄磁気ネジ３４と雌磁気ネジ２４とが磁力によって結合され大きな抵抗に対して脱調が起こるため、出力時に手を挟むような緊急事態が生じても、この脱調によるリミット作用により危険が回避され、より安全性が高められる結果となった。
また、磁気ネジ３４，２４は、磁気ネジのピッチ、即ち着磁帯３６，２８の幅を変化させることで、雄磁気ネジ３４と雌磁気ネジ２４との間の磁力による吸引力を調節でき、出力軸３１の負荷に対応させることができる。
【００１９】
次に、本発明にかかる出力装置の第２実施の形態について説明する。図３は該出力装置を示した断面図である。なお、前記第１実施の形態の出力装置と同様の構成については同符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施の形態の出力装置もＤＤモータ２を回転運動出力の動力源とし、ステッピングモータ３を上下運動出力の動力源としている。ＤＤモータ２は、モータ取付台１上に固設され、その下方には磁気ネジに連結されたステッピングモータ３が配設され、支持筒４によって画設されている。
そして、このような回転運動を与えるＤＤモータ２に磁気ネジを備えた上下駆動部４１が組み付けられている。上下駆動部４１は、ＤＤモータ２を構成する回転体１２の回転中心に、筒形状の支持ホルダ４２が嵌合され、その回転体１２と一体となって回転するよう構成されている。
【００２０】
支持ホルダ４２は、モータ取付台１から下にかけて拡径し、その拡径部には一つのベアリング４３が嵌合されている。支持ホルダ４２の下端には支持部材４３が吊設され、これにステッピングモータ３が支持されている。
そして、本実施の形態の出力装置では、ステッピングモータ３がＤＤモータ２と同軸上にはなく、その軸心がずれた状態で配置されている。そこで、ステッピングモータ３の駆動軸３ａにはモータ用歯車４４が嵌合され、そのモータ用歯車４４が雌ネジ回転歯車４５と噛合されている。雌ネジ回転歯車４５は、その軸心部が穿設され、固定金具４６に固定されたロッド５１に貫かれている。
【００２１】
また、雌ネジ回転歯車４５には、円筒形状の雌ネジホルダ２３が嵌合され、一体に回転するよう構成されている。この雌ネジホルダ２３は、ＤＤモータ２を突き抜け、支持ホルダ４２下端部のベアリング４８とＤＤモータ２頂部に設けられたベアリング４９とによって回転支持されている。雌ネジホルダ２３は、支持ホルダ４２内周面とは非接触状態で配設され、その支持ホルダ４２内を回転するよう構成されている。そして、その雌ネジホルダ２３内には図２に示すように円筒磁石２７が嵌合され、その内周面に螺旋状のＮ極着磁帯２８ＮとＳ極着磁帯２８Ｓとが交互に着磁された着磁帯２８からなる雌磁気ネジ２４が形成されている。
【００２２】
一方、固定金具４７に固定されたロッド５１を覆うように円筒形状の雄ネジホルダ３３が挿入され、その上端には円柱形状のヘッド５２がはめ込まれている。雄ネジホルダ３３の外周には円筒磁石３５が嵌合され、その円筒磁石３５には、図２に示すように螺旋状のＮ極着磁帯３６ＮとＳ極着磁帯３６Ｓとが交互に着磁された着磁帯３６からなる雄磁気ネジ３４が形成されている。そして、その雄磁気ネジ３４には、雌磁気ネジ２４と接触しないようガイドパイプ５３がはめ込まれて全体が覆われている。
このような、雄ネジホルダ３３、雄磁気ネジ３４、ヘッド５３、そしてガイドパイプ５３によって出力軸５５が形成されている。そして、出力軸５５は、回転体１２に対して回転しないようにするため、雄ネジホルダ３３内にボールスプライン軸受５６が設けられ、それにボールスプライン軸をなすロッド５１が挿入されている。
【００２３】
そこで、このような構成からなる本実施の形態の出力装置は、次のように回転及び上下方向の運動が出力される。
先ず、回転運動を出力する場合には、ＤＤモータ２がコントロールされる。
図示しないコントローラによりコイル１４が通電されると、これによりステータ１５の周りに磁束が発生し、永久磁石１６に対する吸引力及び反発力として作用するため、回転体１２に所定方向の回転が与えられる。
回転体１２の回転は、その円筒内に一体に嵌合された支持ホルダ４２をも同時に回転させる。また、支持ホルダ４２が回転すれば、これと一体のステッピングモータ３及び固定金具４７に固定されたロッド５１にも回転が与えられることとなる。そのため、その回転は出力軸５５にも伝達され、その出力軸５５から回転が出力されることとなる。
【００２４】
次に、上下運動を出力する場合には、ステッピングモータ３がコントロールされる。
ＤＤモータ２の回転を停止させ、図示しないコントローラによりステッピングモータ３が通電されると、発生する磁束によってロータに回転が与えられ、そのモータ軸３ａから所定方向の回転が出力される。モータ軸３ａの回転は、モータ用歯車４４から雌ネジ回転歯車４５に伝達され、その雌ネジ回転歯車４５に固定された雌ネジホルダ２３に回転が与えられることとなる。
雌ネジホルダ２３に回転が与えられると、雌磁気ネジ２４も同様に回転することとなる。雌磁気ネジ２４は、雄磁気ネジ３４と着磁帯３６，２８が異極同士（３６Ｎと２８Ｓ，３６Ｓと２８Ｎ）吸引し合っている。そのため、雌磁気ネジ２４に回転が与えられると、その回転に雄磁気ネジ３４が追随しようとする。しかし、雄磁気ネジ３４を有する出力軸５５の回転がボールスプライン軸受５６によって制限されているため、その雄磁気ネジ３４には推力が作用してロッド３１が上方或いは下方に移動することとなる。
【００２５】
よって、以上のような構成による本実施の形態の出力装置によれば、ＤＤモータ２によって回転運動を出力し、磁気ネジ３４，２４を設けたステッピングモータ３によって上下運動を出力するようにしたので、いずれの出力も任意にその出力を制御することができるようになった。
また、ＤＤモータ２及びステッピングモータ３が磁力で駆動するため、過大な負荷に対してトルクリミッタ機能が働くため、取り付けたアームや関係機械の破損が防止されるようになった。更には、出力時に手を挟むような緊急時にも、リミット作用により危険が回避されることとなった。
【００２６】
また、上下運動の出力に使用した磁気ネジも雄磁気ネジ３４と雌磁気ネジ２４とが磁力によって結合され大きな抵抗に対して脱調が起こるため、出力時に手を挟むような緊急事態が生じても、この脱調によるリミット作用により危険が回避され、より安全性が高められる結果となった。
また、磁気ネジ３４，２４は、磁気ネジのピッチ、即ち着磁帯３６，２８の幅を変化させることで、雄磁気ネジ３４と雌磁気ネジ２４との間の磁力による吸引力を調節でき、出力軸３１の負荷に対応させることができる。
【００２７】
なお、本発明は、前記実施の形態に示したものに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施の形態では回転運動を出力する動力源にＤＤモータ２を使用し、また、上下方向の運動を出力する動力源にはステッピングモータ３を使用したが、それぞれ他の構成によるサーボモータであってもよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は、回転中心に中空部をもって形成された回転体を任意に回転させる第一サーボモータと、その回転体に対して固設した第二サーボモータと、回転体の中空部内に回転自在に支持され、第二サーボモータのモータ軸に連結された円筒形状の雌ネジホルダと、雌ネジホルダ内周面に設けられた雌磁気ネジと、第一サーボモータの回転体に対して回転することなく軸方向にのみ移動自在であって、雌磁気ネジ内に装填された円筒形状の雄ネジホルダと、雄ネジホルダの外周面に設けられた雄磁気ネジと、雄磁気ネジと一体に設けられ、第一サーボモータの中空部から突設された出力軸とを有する構成としたので、第一サーボモータによる回転運動と第二サーボモータによる直線運動とが出力軸から出力され、それぞれ回転及び上下方向の出力を任意に設定でき、また第一サーボモータ及び第二サーボモータとも磁力によって回転するため、回転及び上下方向の動作にトルクリミッタ機能を有する出力装置を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる出力装置の第１実施の形態を示した断面図である。
【図２】雄磁気ネジ及び雌磁気ネジを示す分解斜視図である。
【図３】本発明にかかる出力装置の第２実施の形態を示した断面図である。
【符号の説明】
２ ＤＤモータ
１２ 回転体
１４ コイル
１５ ステータ
１６ 永久磁石
２１ 支持ホルダ
２３ 雌ネジホルダ
２４ 雌磁気ネジ
３１ ロッド
３２ ボールスプライン軸受
３３ 雄ネジホルダ
３４ 雄磁気ネジ

Claims (3)

1. コイルが巻回され円周方向に配設されたステータと、前記ステータに対面する複数の永久磁石が固着され、回転中心に中空部をもって形成された回転体とを備え、前記コイルへの通電により発生する磁束によって前記回転体を任意に回転させる第一サーボモータと、
   前記回転体に対して固設され、回転を出力するモータ軸を任意に回転させる第二サーボモータと、
   前記回転体の中空部内に回転自在に支持され、前記第二サーボモータのモータ軸に連結された円筒形状の雌ネジホルダと、
   前記雌ネジホルダ内周面に設けられた雌磁気ネジと、
   前記第一サーボモータの回転体に対して回転することなく軸方向にのみ移動自在であって、前記雌磁気ネジ内に装填された円筒形状の雄ネジホルダと、
   前記雄ネジホルダの外周面に設けられた雄磁気ネジと、
   前記雄磁気ネジと一体に設けられ、前記第一サーボモータの中空部から突設された出力軸とを有することを特徴とする出力装置。
2. 請求項１に記載の出力装置において、
   前記出力軸は、前記第一サーボモータの回転体に対して回転することなく軸方向にのみ移動自在に装填されたロッドに前記雄磁気ネジが一体に形成されたものであることを特徴とする出力装置。
3. 請求項１に記載の出力装置において、
   前記出力軸は、前記第二サーボモータに固定されたロッドに対し、回転することなく軸方向にのみ移動自在にはめ込まれた前記雄ネジホルダであることを特徴とする出力装置。

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