-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Motorstruktur, die
als Antriebsquelle anwendbar ist, um eine lineare
Bewegung zu bewirken, z. B. ein Kopfaktuator einer Floppy-
Disk-Antriebsvorrichtung (nachstehend FDA genannt),
insbesondere eine Motorstruktur, bei der zwei gleitende
Teile miteinander in Eingriff stehen, um eine
Antriebskraft zu übertragen, und ferner auf eine Motorstruktur
mit einem Mittel, das eine Drehung ihrer sich linear
bewegenden Ausgangsstange (oder Abtriebsstange)
verhindert.
-
Bei einem linearen Aktuator mit einem zweiphasigen
Synchronmotor, z. B. einem Aktuator einer FDA, ist es
bekannt, ein Schraubmittel zum Umwandeln einer
Bewegungsrichtung zu verwenden. In der japanischen
Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift 62-3080 ist eine
Schraubstruktur zur Verringerung der darin auftretenden
Reibungsverluste und zur Erzielung einer hohen Ausgangsleistung
mit hohem Wirkungsgrad angegeben. Ein solcher
Aktuatoraufbau ist wegen der einzubauenden Kugeln kostspielig,
so daß er nur auf einem begrenzten technischen
Anwendungsgebiet angewandt werden kann. Dagegen ist eine
Schraubstruktur ohne Kugeln preiswert, ihr Umwandlungswirkungsgrad
infolge hoher Reibungsverluste jedoch
erheblich schlechter. Außerdem ist ihre Haltbarkeit wegen
hoher Abriebverluste des Harzes des Gewindes erheblich
schlechter, so daß sie praktisch nicht benutzt wird.
Ein solcher Abrieb tritt besonders in einem weiten
Arbeitstemperaturbereich auf. Ein weiteres bei diesem
Stand der Technik auftretendes Problem besteht darin,
daß ein Mittel zum Verhindern der Drehung einer
Ausgangsstange in einer Vorrichtung eingebaut ist, die von
einem Motor angetrieben wird, so daß die Vorrichtung
Einbauraum dafür benötigt. Sie ist nicht zur Erzielung
kleiner Abmessungen einer Einrichtung geeignet. Da sie
ferner eine genaue Regelung der Bewegung einer
Ausgangsstange durch Verwendung von zwei oder mehr
Regelteilen erfordert, wird die Regelung zu kompliziert.
-
Obwohl es allgemein bekannt ist, daß es vorteilhaft
ist, z. B. zur Verringerung von Abriebverlusten, Harz
für ein Innengewinde und Metall für ein Außengewinde in
einem Bewegungsumwandlungsmechanismus mit Gewinde zu
verwenden, kann - im wesentlichen - klar nachgewiesen
werden, daß die sogenannte Freßneigung oder ein
Festfressen der gleitenden Teile kaum dadurch vermieden
wird, um die gleitenden Teile zu stabilisieren, daß als
Materialien für die gleitenden Teile solche gewählt
werden, die sich in ihrer Härte unterscheiden, um die
Reibung soweit wie möglich zu verringern; und Tatsache
ist, daß jeder nach einer Prüfung bestimmt, an welchem
Teil das Harz benutzt wird oder welches Harz
entsprechend dem Anwendungszweck dafür geeignet ist. Da die
Ausgangsstange mit vielen gleitenden Teilen versehen
ist, besteht die Gefahr, daß sie bei der Handhabung an
einem Maschinenbett oder einem anderen Teil anstößt.
-
Infolgedessen muß die Ausgangsstange aus einem Material
hergestellt sein, das eine hinreichende Festigkeit
aufweist, vorzugsweise aus Metall.
-
Die Erfindung dient der Lösung dieser Probleme, und
eines ihrer Ziele besteht darin, eine Motorstruktur mit
gleitenden Teilen anzugeben, die sehr haltbar sind,
selbst wenn sie in einem weiten Temperaturbereich
benutzt werden, und ein weiteres Ziel besteht darin, eine
Motorstruktur anzugeben, bei der die gleitenden Teile
als ein Mechanismus zur Verhinderung einer Drehung der
Ausgangsstange ausgebildet sind, und ein weiteres Ziel
besteht darin, eine Motorstruktur anzugeben, bei der
die erwähnten gleitenden Teile als Schraubstruktur
ausgebildet sind, um die Antriebskraft einer
Ausgangsstange zu übertragen.
-
Zur Lösung dieser Probleme ist erfindungsgemäß bei
einer Motorstruktur mit wenigstens zwei gleitenden
Teilen, die miteinander in Eingriff stehen und über die
eine Antriebskraft übertragen wird, ein
Oberflächenmaterial des einen gleitenden Teils aus
Polyphenylensulfidharz (PPS) und ein Oberflächenmaterial des anderen
gleitenden Teils aus einer Nitridschicht hergestellt.
(Die Anwendung von PPS und einer Nitridschicht auf
gleitenden Teilen ist auf anderen technischen Gebieten
bekannt, siehe z. B. US-A- 5289067, die ein Lager
betrifft.) Außerdem hat die erfindungsgemäße
Motorstruktur eine Ausgangsstange mit einem Gewindeabschnitt, der
mit einem Gewindeteil an einem Mittelabschnitt eines
durch elektromagnetische Interaktion gedrehten Läufers
in Eingriff steht, um die Ausgangsstange in ihrer
axialen Richtung durch Drehung des Läufers zu bewegen, und
gleitenden Kontaktteile, von denen einer aus PPS-Harz
und der andere aus Metall gebildet ist, auf dessen
Oberfläche eine Nitridschicht gebildet ist. Die
gleitenden Kontaktteile bilden den Gewindeteil zwischen dem
Mittelabschnitt des Läufers und der Ausgangsstange, und
weitere gleitende Kontaktteile bilden die
Ausgangsstange und ein Durchgangslochteil für die Ausgangsstange in
einem Ständergehäuse. Beispielsweise besteht das
Innengewinde aus PPS-Harz mit einer hohen Wärmefestigkeit
und einem niedrigen Lineardehnungskoeffizienten, um den
Reibungswiderstand zwischen dem Innengewinde und dem
Außengewinde zu minimieren, wobei für das Außengewinde
der Ausgangsstange Metall benutzt wird. Der andere
gleitende Teil auf der Ausgangsstange ist so
ausgebildet, daß ein Längsabsohnitt der Ausgangsstange mit
einem D-förmigen Querschnitt so weggeschnitten ist, daß
eine ebene Oberfläche darauf ausgebildet ist, um eine
Drehung der Ausgangsstange zu verhindern. Die
Oberfläche der Ausgangsstange, die zwangsweise in eine
Längsrichtung bewegt wird, ist einer Nitrierung oder
Nitrierhärtung unterzogen worden, durch die die Reibung
weiter verringert ist, und die Haltbarkeit ist
ebenfalls verbessert. Auf diese Weise läßt sich ein
linearer Aktuator herstellen, der sehr haltbar ist, einen
einfachen Aufbau aufweist und in einem weiten
Temperaturbereich benutzt werden kann.
In den beiliegenden Zeichnungen ist:
-
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes
Ausführungsbeispiel,
-
Fig. 2 ein Vertikalschnitt, der ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt,
-
Fig. 3 eine Schnittansicht einer Ausgangsstange,
-
Fig. 4 eine Kennlinie einer Änderung einer Kraft in
Abhängigkeit von einer Oberflächenbehandlung bei
einem Haltbarkeitstest eines
Ausführungsbeispiels der Erfindung,
-
Fig. 5 eine Vergleichskennlinie, die den Zusammenhang
zwischen der Oberflächenbehandlung und den
Abnutzungsverlusten der Ausgangsstange bei einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt,
-
Fig. 6 eine Teilschnittansicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels der Erfindung und
-
Fig. 7 eine Teilschnittansicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ausführlich
in den Zeichnungen dargestellt. Fig. 1 stellt eine
Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und
Fig. 2 eine Vertikalschnittansicht desselben dar. In
diesen Zeichnungen ist mit 1 eine Ausgangsstange
bezeichnet, die einen Außengewindeteil 2 aus rostfreiem
Stahl, zwei im Querschnitt D-förmige Teile 3 zur
Verhinderung einer Drehung (wie nachstehend noch
ausführlicher beschrieben wird) der Ausgangsstange 1 und ebene
Oberflächen 4 auf den im Querschnitt D-förmigen Teilen
3 aufweist. Wie Fig. 3 zeigt, ist auf der Oberfläche
der Ausgangsstange 1, insbesondere auf der Oberfläche
des Außengewindeteils 2, eine Nitridschicht 5
ausgebildet, um den Reibungswiderstand zu verringern und die
Haltbarkeit zu verbessern. Die Nitridschicht 5 ist
beispielsweise eine dünne Keramikschicht, die aus einem
Nitrid, z. B. einem Siliciumnitrid, besteht, das auf
der Oberfläche der Ausgangsstange 1 nach einem
bekannten Verfahren, z. B. PVD oder CVD, ausgebildet werden
kann, und diese Nitirierhärtung kann auch durch eine
Behandlung zur Erzeugung einer Verbindung, z. B.
Eisennitrid, das heißt eine TUFFTRIDE-Behandlung
(Salzbadverfahren) oder Sulfunit (PVD-Verfahren)
erreicht werden. Andererseits kann auch eine
Polycarboxysilanlösung oder ein organisches Siliciumpolymer auf
der Oberfläche der Ausgangsstange 1 aufgebracht werden,
die einer Metallbearbeitung mit anschließendem Brennen
in einer Ammoniakatmosphäre zur Bildung einer dünnen
Nitridschicht unterzogen wird. Die Nitridschicht 5 ist
etwa 10 Mikrometer dick. Die Nitridschicht 5 kann auf
der gesamten Oberfläche der Ausgangsstange 1 oder nur
einem Oberflächenteil des Außengewindeteils 2
vorgesehen sein.
-
Mit 6 ist eine aus PPS-Harz gebildete Läuferhülse
bezeichnet, die auf ihrer Bohrungsseite einen
Innengewindeteil 7 aufweist, der mit dem Außengewindeteil 2 der
Ausgangsstange 1 in Eingriff steht, und einen an ihrem
äußeren Umfang angebrachten und angeklebten
Läufermagnetteil 8 aus einem Dauermagneten aufweist. Die
Läuferhülse ist aus PPS-Harz hergestellt, durch das die
Warmfestigkeitstemperatur im Vergleich zu
Polyacetalharz erhöht wird, das in der Vergangenheit am häufigsten
als Gleitmaterial Verwendet wurde, so daß sich ein
größerer Anwendungsbereich ergibt.
-
Die Läuferhülse 6 hat an beiden Enden Lager 9, 10 und
ist durch das Lager 9 in einem Ständergehäuse 11 und
durch das Lager 10 in einem Deckel 12 drehbar gehalten.
Eine Ständeranordnung 13 ist aus Ständerjochen 14, 15
und einer Wicklung 16 gebildet. Insbesondere betrifft
dieses Ausführungsbeispiel einen Zweiphasen-
Synchronmotor mit einem Ständer, der aus einem durch
dreidimensionales Biegen einer Stahlplatte aus
weichmagnetischem Material geformten Ständerjoch und einer
Spule besteht, die durch Aufwickeln einer Leitung aus
einem mit einem Polyurethanharz beschichteten Leiter
auf einem Wickelkörper gebildet ist; und mit einem
Läufer, der einen Bewegungsumwandlungsmechanismus zur
Umwandlung einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung
(mit einem Gewinde) am inneren Umfang eines
Läufermagneten aufweist, der aus einem Felddauermagneten
besteht, der so angeordnet ist, daß er über einen engen
Spalt dem äußeren Umfang eines Ankers gegenüberliegt,
der aus einem Dauermagneten gegenüber den Polzähnen des
Ständers über einen Hohlraum besteht und eine sich
geradlinig bewegende Ausgangsstange hat, wobei er den
gleichen Aufbau wie der Ständer eines sogenannten 2-
Phasen-Klauenpol-Schrittmotors hat. Mit 17 sind die
Zuleitungen der Wicklungen 16 bezeichnet.
-
Der Läufermagnet 8 und die Ständeranordnung 13 sind
konzentrisch mit einem engen Spalt dazwischen
angeordnet, und die Ständeranordnung 13 ist in dem
Ständergehäuse 11 angeordnet. Der Deckel 12 ist auf dem
Ständergehäuse 11 mittels eines Paßteils 18 zentriert. Mit dem
Ständergehäuse 11 ist ein Flansch 20 mit
Motormontagelöchern 19 einstückig ausgebildet.
-
Die Wirkungsweise des Motors ist folgende. Wenn den
Zuleitungen 17 der Wicklungen 16 in dem in Fig. 2
dargestellten Zustand eine vorbestimmte impulsförmige
Antriebsspannung zugeführt wird, beginnt die Läuferhülse
6 sich zu drehen, beispielsweise im Uhrzeigersinn, und
zwar durch das Zusammenwirken des durch die Wicklungen
16 erzeugten Magnetflusses mit dem durch die
Läufermagnete 8 erzeugten Magnetfluß. Durch die Drehung der
Läuferhülse 6 wird auch auf die in die Läuferhülse 6
geschraubte Ausgangsstange 1 zwangsläufig ein
Drehmoment ausgeübt. Der die Drehung verhindernde Teil 3 mit
dem D-förmigen Querschnitt am oberen Teil der
Ausgangsstange 1 ragt jedoch durch ein in das Ständergehäuse 11
gebohrtes Durchgangsloch 21. Da dieses Durchgangsloch
21 ebenfalls einen flachen Teil aufweist, der am
flachen Teil des die Drehung verhindernden Teils 3 der
Ausgangsstange 1 anliegt, kann sich die Ausgangsstange
1 nicht drehen. Durch das Zusammenwirken des
Außengewindeteils 2 mit dem Innengewindeteil 7 wird daher die
Ausgangsstange 1 beispielsweise nach oben bewegt, wie
es durch den Pfeil in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn die
Läuferwelle 6 entgegengesetzt zu der erwähnten Richtung
gedreht wird, wird die Ausgangsstange 1 dagegen in
Richtung des Pfeils nach unten bewegt.
-
Wie bereits bei der Beschreibung des Aufbaus erwähnt
wurde, ist der Innengewindeteil 7 aus PPS-Harz
hergestellt, während die Metalloberfläche des
Außengewindeteils 2 mit einer Nitridschicht bedeckt ist, so daß die
sich berührenden Flächen der Gewinde im Wesentlichen
aus dem PPS-Harz und dem Nitrid bestehen. Diese
Kombination der Kontaktflächen bzw. der sich berührenden
Flächen minimiert die Abriebverluste des PPS-Harzteils
im Laufe der Zeit. Daher wird die
Positionierungsgenauigkeit der Ausgangsstange selbst bei einer langzeitigen
Berührung genauer als bei einer herkömmlichen
eingehalten, so daß die Positionierungsgenauigkeit eines
Datenlese- und -schreibkopfes auf einer Floppy-Disk
(Diskette), die beispielsweise eine Speichervorrichtung
für einen Computer bildet, langzeitig eingehalten
werden kann.
-
Die Fig. 4 und 5 stellen Kennlinien zur
Verdeutlichung dieses Effekts dar, wobei Fig. 4 die Kennlinie
der Änderung einer Kraft in Abhängigkeit von der
Oberflächenbehandlung bei einer Dauerfestigkeits- bzw.
Lebensdauerprüfung und Fig. 5 eine Vergleichskennlinie
des Zusammenhangs zwischen der Oberflächenbehandlung
der Ausgangsstange, die das Wichtigste bei der
Erfindung ist, und den Abnutzungsverlusten darstellt. Wie
Fig. 4 zeigt, ist die Abnahme der Kraft nach etwa 10
Betriebsstunden bei einem herkömmlichen, durch die
gestrichelte Kennlinie dargestellten Beispiel im
Vergleich zu der bei der Erfindung sehr deutlich und noch
auffälliger nach mehr als 1000 Stunden.
-
Wie Fig. 5 zeigt, ist auch die Abnutzung des
Gewindeteils, insbesondere des PPS-Harzteils, bei dem durch
die gestrichelte Linie dargestellten herkömmlichen
Beispiel nach einer Betriebsdauer von etwa 10 Stunden im
Vergleich zu der Erfindung sehr deutlich und noch
auffälliger nach 1000 Stunden. Aus diesen Zeichnungen
ergibt sich, daß ein deutlicher Unterschied in der Kraft
der Ausgangsstange 1 und der Abnutzung des Gewindes im
Laufe der Zeit in Abhängigkeit vom Vorhandensein der
Oberflächenbehandlung auftritt.
-
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Ausgangsstange 1
aus Metall und die Läuferhülse 6 aus PPS-Harz
hergestellt. Es ist jedoch auch ein Aufbau möglich, bei dem
die Ausgangsstange 1 aus PPS-Harz, das Gewinde an der
Innenseite der Läuferhülse 6 aus Metall und die
Nitridschicht auf seiner Oberfläche ausgebildet ist.
-
Nachstehend wird ein weiteres bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen
beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der
Kontaktaufbau zwischen dem PPS-Harz und der Nitridschicht, die
auf der Metalloberfläche ausgebildet ist, bei dem es
sich um den wesentlichen Teil der Erfindung handelt,
auf den Kontakt- bzw. Berührungsabschnitt zwischen
einer Ausgangsstange und einem Durchgangsloch, durch das
sie hindurchgeht, angewandt. Fig. 6 stellt einen Teil
eines Querschnitts durch einen Bereich dar, in dem eine
Ausgangsstange 100 durch ein Ständergehäuse 101
hindurchgeht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die
Ausgangsstange 100 aus PPS-Harz hergestellt. Das
Ständergehäuse 101 ist aus Metall, z. B. Stahl, hergestellt.
Die Ausgangsstange 100 geht durch ein Durchgangsloch
102 hindurch, das in das Ständergehäuse 101 gebohrt
ist, und wird durch einen 2-phasigen Synchronmotor in
Richtung des Doppelpfeils in der gleichen Weise wie bei
dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel bewegt. Auf
dem inneren Rand des in das Ständergehäuse 101
gebohrten Durchgangslochs 102 ist eine Nitridschicht 103
aufgebracht. Die Nitridschicht 103 kann durch Aufbringen
einer Polycarboxysilanlösung oder eines organischen
Siliciumpolymers auf der Umfangsfläche es Durchgangslochs
102 und anschließendes Brennen in einer
Ammoniakatmosphäre ausgebildet sein.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird
nachstehend anhand von Fig. 7 beschrieben. Bei diesem
Ausführungsbeispiel ist der Gleitkontaktaufbau zwischen
PPS-Harz und einer Nitridschicht auf einer
Metalloberfläche, bei dem es sich in ähnlicher Weise wie zuvor um
den wesentlichen Teil der Erfindung handelt, auf den
Gleitkontaktteil zwischen einer Ausgangsstange und
einem Durchgangsloch, durch das sie hindurchgeht,
angewandt. Fig. 7 stellt einen Teil eines Querschnitts in
einem Bereich dar, in dem eine Ausgangsstange 200 durch
ein Ständergehäuse 201 hindurchgeht. Bei diesem
Ausführungsbeispiel ist die Ausgangsstange 200 aus Metall und
auch das Ständergehäuse 201 aus Metall hergestellt. Das
Ständergehäuse 201 hat ein Halterungsloch 202 und einen
Lagerring 203 aus PPS-Harz, der im Halterungsloch 202
eingepaßt ist. Das mittlere Loch des Lagerrings 203 hat
die gleiche Form wie der Querschnitt der Ausgangsstange
200. Auf der Oberfläche der Ausgangsstange 200 ist eine
Nitridschicht 204 aufgebracht. Die Ausgangsstange 200
wird bei diesem Ausführungsbeispiel vertikal in
Richtung des Doppelpfeils durch einen 2-phasigen
Synchronmotor in der gleichen Weise wie bei dem vorherigen
Ausführungsbeispiel bewegt.
-
Da bei der Motorstruktur, wie schon zuvor ausführlich
beschrieben wurde, der eine der sich gleitend
berührenden Teile bzw. gleitenden Kontaktteile aus PPS-Harz und
der andere aus Metall, auf dessen Oberfläche eine
Nitridschicht
aufgebracht ist, hergestellt und eine
Ausgangsstange mit einem Gewindeteil, der in ein
Gewindeteil in der Mitte eines durch elektromagnetische
Interaktion angetriebenen Läufers eingeschraubt ist, um die
Ausgangsstange durch Drehung des Läufers in
Axialrichtung zu bewegen, wird der Abnutzungswiderstand oder die
Abriebfestigkeit des Kontaktteils der Motorstruktur
verbessert, der Reibungswiderstand des gleitenden
Kontaktteils im Vergleich zu einem herkömmlichen über
längere Zeit nicht vergrößert, und darüber hinaus sind
viele Effekte der Erfindung vorhanden, z. B. daß die
Lageregelung des Kopfes bei Anwendung auf eine Floppy-
Disk-Antriebsvorrichtung für einen Computer über eine
lange Zeit genau durchgeführt werden kann.