JP2003009451A

JP2003009451A - リニア駆動装置

Info

Publication number: JP2003009451A
Application number: JP2001184398A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Nishikawa; 和憲西川
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2003-01-10
Anticipated expiration: 2021-06-19
Also published as: JP4004753B2

Abstract

(57)【要約】【課題】スラスト受け部の構成を工夫することによ
り、周動力を軽減して大きな推力が得られるようにし、
スラスト受け部の周速を小さくして、耐摩耗性、耐久性
に優れたリニア駆動装置を得る。【解決手段】モータのロータ１６の回転運動を駆動軸
２４の直進運動に変換する変換手段を有するリニア駆動
装置において、可動軸２４の前進時に可動軸にかかるス
ラスト方向の反力を受けるスラスト受け構造を有し、ス
ラスト受け構造は、可動軸２４の前進時に可動軸にかか
るスラスト方向の反力に基づくロータの回転摩擦の増加
を抑制する、点接触によるスラスト受け構造とした。ス
ラスト受け構造は、ロータ後端の回転中心点を受ける構
造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、駆動源の回転運動
を駆動軸の直線運動に変換することができるリニア駆動
装置に関するもので、例えば、給水装置の弁の開閉や風
呂の排水栓の開閉アクチュエータなどとして利用するこ
とができるものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、給水装置の弁の開閉や風呂の排
水栓の開閉アクチュエータなどとして利用することがで
きるリニア駆動装置が各種提案されている。実開昭５７
−１２７５６７号公報に記載されている発明はその例で
ある。上記公報記載の発明は、回転方向の動きを規制さ
れスラスト方向に移動可能で雄ねじが形成された出力軸
と、モータのロータに形成され上記出力軸の雄ねじと噛
み合う雌ねじと、モータのロータの一端に形成されたピ
ニオンと、このピニオンと噛み合う歯車と、この歯車に
形成された回転規制のための凸部と、支持台に設けられ
上記凸部と干渉することによって上記歯車の回転領域を
規制する凸部とを有してなり、上記歯車の回転領域を規
制することにより、結果的に上記出力軸の直線移動スト
ロークを規制するものである。そして、中心孔の一部に
上記雌ねじおよび出力軸の雄ねじの径よりも大きい貫通
孔を有するロータを回転させ、出力軸をスラスト方向に
駆動し、出力軸が受ける推力を、ロータ貫通孔を構成す
るパイプ部の端面で受ける構造になっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記実開昭５７−１２
７５６７号公報記載の発明は、上記のように、ロータの
中心孔に雌ネジを形成し、この雌ネジに出力軸の雄ねじ
を螺合させ、出力軸がロータの中心孔の中をスラスト移
動する構造の場合、ロータの端面は上記ネジの径よりも
径の大きい内径のパイプ形状となり、この径の大きいロ
ータ端面で出力軸の推力を受けるため、ロータの端面で
大きな摺動ロスを生じ、結果的に大きな推力を得ること
ができないという難点がある。また、上記のように径の
大きいロータ端面で推力を受けるため、推力受け面にお
けるロータ端面の周速が大きくなってＰＶ値が大きくな
り、耐摩耗性、耐久性が劣るという難点がある。

【０００４】本発明は以上のような従来技術の問題点を
解消するためになされたもので、モータのロータの回転
運動を駆動軸の直進運動に変換する変換手段を有するリ
ニア駆動装置において、スラスト受け部の構成を工夫す
ることにより、周動力を軽減して大きな推力が得られる
ようにし、また、スラスト受け部の周速を小さくして、
耐摩耗性、耐久性に優れたリニア駆動装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
モータのロータの回転運動を駆動軸の直進運動に変換す
る変換手段を有するリニア駆動装置において、可動軸の
前進時に可動軸にかかるスラスト方向の反力を受けるス
ラスト受け構造を有し、スラスト受け構造は、可動軸の
前進時に可動軸にかかるスラスト方向の反力に基づくロ
ータの回転摩擦の増加を抑制する、点接触によるスラス
ト受け構造であることを特徴とする。

【０００６】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、スラスト受け構造は、ロータ後端の回転中
心点を受ける構造であることを特徴とする。

【０００７】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の発明において、可動軸の前進によってロータをス
ラスト受け構造側に押圧する向きの負荷が、可動軸の後
退によってロータをスラスト受け構造側から引き離す向
きの負荷よりも大きいことを特徴とする。

【０００８】請求項４記載の発明は、請求項１、２また
は３記載の発明において、ロータは、中心に可動軸を内
設する円筒部を有し、この円筒部の内周側には小径部と
大径部が形成され、大径部の後端に低摩擦部材が嵌合さ
れ、この低摩擦部材がスラスト受け構造の一部を構成し
ていることを特徴とする。

【０００９】請求項５記載の発明は、請求項４記載の発
明において、小径部は円筒部の前端側に設けられ、この
小径部の内周側に、可動軸の外周に形成されている雄リ
ードスクリューと噛み合う雌リードスクリューが形成さ
れていることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
にかかるリニア駆動装置の実施の形態について説明す
る。この実施形態は、例えば風呂の排水栓を開閉するた
めのリニア駆動装置の例であって、可動軸が前進するこ
とによって排水栓を解放し、可動軸が後退することによ
って排水栓を閉じるようにしたものである。

【００１１】図１、図２において、符号１３は有底円筒
状のケースを、４はケース１３の開口端に固定されたカ
バーを示している。ケース１３内には駆動源としてのモ
ータが組み込まれている。モータは、ボビン１９、駆動
コイル２０、ステータコア２１、モータケース１８など
からなるステータと、ロータ１６、ロータマグネット１
７などからなるロータとを有してなる。

【００１２】上記ステータコア２１は内周側において複
数の極歯を周方向に等間隔で円筒形をなすように有して
いる。ステータコア２１は２個を一組として、それぞれ
の極歯が交互に周方向に並ぶように対向させて配置され
ている。これらの極歯の外周側に、駆動コイル２０が巻
かれたボビン１９が嵌められている。上記２個一組のス
テータコア２１、ボビン１９、駆動コイル２０からなる
ステータ組が２組軸方向に重ねられて結合され、ステー
タが構成されている。このようにして構成されたステー
タは有底円筒状のモータケース１８に収納され固定され
ている。

【００１３】上記ロータ１６は、モータの出力軸をなす
中心円筒部２５と、この中心円筒部２５の軸方向の約半
部に一体成形によって形成された大径円筒部２６を有し
ている。大径円筒部２６の外周には円筒形のロータマグ
ネット１７が嵌められて固着されている。ロータマグネ
ット１７は周方向に等間隔に磁極を有している。ケース
１３内には上記ステータの端面に対向させて地板２２が
上記モータケース１８の開放端に固定されている。地板
２２の中心孔にはラジアル軸受２３が嵌められ、ラジア
ル軸受２３によってロータ１６の上記中心円筒部２５が
回転可能に支持されている。

【００１４】ロータ１６の中心円筒部２５の内周側は、
前端側の小径部２７ａと、それ以外の大径部２７ｂとか
らなる。したがって、大径部２７ｂは、中心円筒部２５
の後端にまで至っている。上記ロータ１６の後端には、
ロータ１６とは別の材料でありかつ低摩擦部材からなる
キャップ１５が嵌められている。キャップ１５は球面を
有し、この球面が、上記モータケース１８の内定部中心
に配置されたスラスト受１４に当たり、ロータにかかる
スラスト方向の荷重が受けられるようになっている。キ
ャップ１５とスラスト受１４とで、スラスト受け構造を
構成している。モータケース１８の内底部中心には、ス
ラスト受１４およびロータ１６の中心円筒部２５の其端
部を囲む円筒部が形成されている。

【００１５】ロータ１６の中心円筒部２５には、先端部
内周側、すなわち上記小径部２７ａに雌リードスクリュ
ーが形成され、また、上記中心円筒部２５には、軸方向
中間部である上記ラジアル軸受２３の近傍においてピニ
オン２８が形成されている。上記中心円筒部２５には可
動軸２４の後端部が挿入されている。可動軸２４の後端
部外周には雄リードスクリューが形成されている。この
雄リードスクリューは上記ロータ１６の雌リードスクリ
ューと噛み合っている。可動軸２４の先端部は前記カバ
ー４の先端面から突出している。可動軸２４には、その
長さ方向中央部に、上記カバー４内において可動軸２４
から半径方向に伸びる回転止め６が固着されている。カ
バー４内には可動軸２４と平行にガイド軸５が固定され
ている。ガイド軸５にはこのガイド軸５に沿ってスライ
ド可能に上記回転止め６が嵌っている。

【００１６】前記ステータとロータを有してなるモータ
はステッピングモータになっていて、駆動コイル２０に
パルス状の電源が供給されることにより、ロータが所定
の角度ずつ回転する。ロータを構成する前記中心円筒部
２５が一方向に回転すると、中心円筒部２５の前記小径
部２７ａに形成されている雌リードスクリューと可動軸
２４の雄リードスクリューとの噛み合いにより、かつ、
回転止め６によって可動軸２４の回転止めがなされてい
ることにより、可動軸２４がガイド軸５にガイドされな
がら軸方向に直線移動する。上記中心円筒部２５が逆転
すると、可動軸２４は逆向きに直線移動する。したがっ
て、中心円筒部２５の雌リードスクリューと可動軸２４
の雄リードスクリュー、回転止め６などによって、モー
タのロータの回転運動を可動軸２５の直進運動に変換す
る変換手段を構成している。

【００１７】上記回転止め６には磁石片７が取り付けら
れている。回転止め６は可動軸２４と一体の部材である
から、磁石片７は可動軸２４に直接設けられているもの
ということもできるし、可動軸２４に間接的に設けられ
ているものということもできる。また、磁石片７は、次
に説明する磁気センサとともに位置検出手段を構成して
いる。

【００１８】上記磁石片７の移動軌跡に対向させて、可
動軸２４の直線移動限界を検出するための磁気センサ
２，３が配置されている。磁気センサ２，３は上記磁石
片７と対をなして位置検出手段を構成する。磁気センサ
２は可動軸２４の前進限界を検出するものであり、磁気
センサ３は可動軸２４の後退限界を検出するものであ
る。磁気センサ２，３は回路基板８に配置され、この回
路基板８はガイド部としての前記ガイド軸５が形成され
た部材、すなわちカバー４内に固定されている。より具
体的には、回路基板８はカバー４内に形成された挿入溝
などに挿入され、回路基板８の一端はカバー４の内底面
に、他端は前記地板２２に当たってカバー４内に固定さ
れている。

【００１９】可動軸２４が前進し、センサ２が磁石片７
を検出するとモータの駆動を停止して可動軸２４の前進
を停止させ、モータの逆転によって可動軸２４が後退
し、センサ３が磁石片７を検出するとモータの駆動を停
止して可動軸２４の後退を停止させる。位置検出手段と
しての磁気センサ２を第１検出手段、磁気センサ３を第
２検出手段とすると、第１検出手段である磁気センサ２
が上記位置検出手段である磁石片７に対向したときと非
対向のときにおける上記磁気センサ２と第２検出手段で
ある磁気センサ３との検出信号差により、可動軸２４の
位置を検出することも可能である。磁気センサ３を第１
検出手段、磁気センサ２を第２検出手段とし、双方の検
出信号差により同様に可動軸２４の位置を検出するよう
にしてもよい。

【００２０】上記可動軸２４の、前進限界から後退限界
までの移動ストロークを長くするとともに、十分な力量
を得るためには、モータの回転数を多くする必要があ
る。そのために図示の実施形態では、アメリカン・ワイ
ンディング・ストップ機構を設けた。図２、図３は、上
記直線移動機構に組み込んだアメリカン・ワインディン
グ・ストップ機構の例を示す。

【００２１】図２、図３において、前記中心円筒部２５
に形成されたピニオン２８の外周側には、このピニオン
２８に噛み合う第１歯車２９と、この第１歯車２９に噛
み合う第２歯車３１が配置されている。第１歯車２９と
第２歯車３１はいずれも前記地板２２にそれぞれ軸３
０、軸３２を中心に回転可能に保持されている。第１歯
車２９と第２歯車３１は異なる歯数になるように形成さ
れている。

【００２２】図１、図２に示す実施形態は、風呂の排水
栓を自動的に開閉させるためのリニア駆動装置の例で、
可動軸２４の全ストロークは約１８ｍｍ、上記二つのセ
ンサ２、３間のストロークは１５．２ｍｍの例である。
モータの出力軸に形成されたピニオン２８の歯数は１
６、第１歯車２９の歯数は２４、第２歯車３１の歯数は
２５である。第１歯車２９には２枚の歯数分だけ厚さが
厚くなった突起３３が一体に形成されている。これに対
して第２歯車３１には、１箇所の歯溝に重なる形で突起
３４が一体に形成されている。上記突起３３と突起３４
は、歯車２９、３１の同じ面側から突出することによっ
て、これらの突起３３、３４の先端が向き合おうとする
とき互いに干渉するようになっている。突起３３、３４
が互いに干渉しない範囲では、第１歯車２９、第２歯車
３１双方は回転することができる。したがって、これら
突起３３と突起３４は、第１歯車２９、第２歯車３１双
方の複数回転を許容するとともに互いに干渉してロータ
の回転を阻止する阻止部を構成している。

【００２３】上記のように、第１歯車２９の歯数は２
４、第２歯車３１の歯数は２５で１歯違いになっている
場合、図３（ａ）に示すように突起３３と突起３４が互
いに干渉して回転が阻止された状態から、歯車が逆転
し、図３（ｂ）に示すように突起３３と突起３４が逆方
向から再び互いに干渉して回転が阻止された状態になる
には、第１歯車２９が第２歯車３１の回転許容歯数分回
転した後となる。そして、上記実施形態の場合、一方の
回転阻止位置から他方の回転阻止位置までの可動軸２４
のストロークＬは、第１歯車２９の回転数をＮ１、第１
歯車２９の歯数をＺ１、ピニオン２８の回転数をＮｐ、
ピニオン２８の歯数をＺｐとすると、次の計算によって
求めることができる。Ｎ１＝２５−１＝２４（第１歯車２９の阻止部３３が１歯分であれば、第１歯
車２９の回転数は２５であるが、図示の実施形態では阻
止部３３が２歯分であるため、−１となる。）Ｎｐ＝Ｎ
１×Ｚ１／Ｚｐ＝２４×２４／１６＝３６前記リードス
クリュー２７のピッチを０．５ｍｍとすると、上記スト
ロークＬは、Ｌ＝３６×０．５＝１８（ｍｍ）となる。

【００２４】実際には、突起３３と突起３４が互いに干
渉する位置は二つの歯車２９、３１の中心軸線より約
１．５歯分だけ手前になるので、厳密な計算ではＬ＝１
７．９（ｍｍ）となる。このように、歯数の異なる歯車
を噛み合わせるとともに、双方の歯車の一部に、互いに
干渉する阻止部を設けてなる機構をアメリカン・ワイン
ディング・ストップ機構と称しており、前述のゼネバ機
構などに比べて、一方向の回転限界から他方向の回転限
界までの歯車の回転数を多くすることができる特徴があ
る。かかる特徴を有するアメリカン・ワインディング・
ストップ機構を用いた図示の実施形態によれば、可動軸
２４の直線移動ストロークを長くすることができるとと
もに、充分大きな力量を得ることができる。

【００２５】以上説明した実施形態では、アメリカン・
ワインディング・ストップ機構によって規制される可動
軸２４のストロークよりも、二つの磁気センサ２、３で
検出され規制される可動軸２４のストロークが若干小さ
くなっている。これは、通常、二つの磁気センサ２、３
でストロークを規制するようにし、仮に、暴走などによ
り磁気センサ２、３による規制が働かなくなったとして
も、アメリカン・ワインディング・ストップ機構により
可動軸２４の直線移動を強制的に規制するためである。
これによって、リニア駆動装置自体およびこのリニア駆
動装置で駆動される装置を保護することができる。

【００２６】なお、可動軸のストロークを規制するため
のセンサを用いることなく、アメリカン・ワインディン
グ・ストップ機構のみによって可動軸のストロークを規
制するようにすることもできる。また、可動軸の一方の
移動位置規制をセンサによる検出信号で行い、他方の移
動位置規制をアメリカン・ワインディング・ストップ機
構で行うようにしてもよい。

【００２７】以上説明したリニア駆動装置は、既に説明
したとおり、風呂の排水栓を自動的に開閉するために用
いることができる。駆動軸２４が前進するときその推力
が排水栓を押圧する力となって排水栓を解放し、駆動軸
２４が後退するときその推力が排水栓を引っ張る力とな
って排水栓を閉じる。駆動軸２４が前進するとき、可動
軸２４にかかるスラスト方向の反力に基づきロータ１６
と実質一体の部材である前記キャップ１５がスラスト受
け１４に強く当たる。スラスト受け構造が従来の構造で
あれば、ロータとスラスト受けとの間の摩擦抵抗が大き
く、かつ、スラスト受けに接するロータ部分の周速が大
きいため、スラスト受け部における機械的なロスが大き
く、大きな推力を得ることに対する障害となっている。

【００２８】その点、図示の実施形態によれば、ロータ
１６と実質一体のキャップ１５が球面を有し、この球面
がスラスト受け１４に点接触しているので、摩擦抵抗が
小さく、かつ、上記球面とスラスト受け１４との接触点
が、ロータ１６の後端の回転中心点になっており、この
回転中心点がスラスト受け１４に接触しているため、こ
の接触点の周速は理論的にはゼロであり、摺動抵抗も極
小といってよい。さらに、キャップ１５は、ロータ１６
とは別の部材からなっているため、摩擦抵抗の小さい材
料を採用することができ、これによっても摺動抵抗を低
減することができる。このように、図示の実施形態によ
れば、可動軸２４の前進時に可動軸２４にかかるスラス
ト方向の反力に基づくロータ１６の回転摩擦の増加を抑
制することができるスラスト受け構造になっているた
め、スラスト受け部における機械的なロスを低減して大
きな推力を得ることができる。

【００２９】上記の風呂の排水栓は、これを閉じるとき
に要する推力は解放するときに要する推力よりも小さ
い。したがって、可動軸２４の前進によってロータ１６
をスラスト受け構造側に押圧する向きの負荷が、可動軸
２４の後退によってロータ１６をスラスト受け構造側か
ら引き離す向きの負荷よりも大きい。図示の実施形態で
は、可動軸２４が後退するときのスラスト方向の反力に
基づき、ラジアル軸受２３の軸方向端面にロータ１６の
一部が当接しあうようになっている。この相互の当接関
係は面接触であるとともに、ある程度の周速をもって摺
接するため、ある程度大きな摺動摩擦抵抗を生じる。し
かしながら、可動軸２４が後退してロータ１６をスラス
ト受け構造側から引き離す向きの負荷は小さいため、あ
る程度大きな摺動摩擦抵抗を生じても、排水栓などの被
駆動体を駆動するのに、推力不足となることはない。

【００３０】なお、図示の実施形態では、スラスト受け
１４に当接するロータ１６側の部材として、キャップ１
５が用いられているが、キャップ１５に代えて鋼球など
を用いてもよい。また、球面に限らず、円錐形の部材、
あるいはピボット状の部材の先端をスラスト受けに当接
させるようにしてもよい。スラスト受け１４に当接する
部材は、摩擦抵抗の小さい部材が望ましいが、必ずしも
これにこだわるものではない。例えばロータ１６の材質
と同じ材質であっても差し支えない。

【００３１】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、リニア駆
動装置において、スラスト受け構造を、可動軸の前進時
に可動軸にかかるスラスト方向の反力に基づくロータの
回転摩擦の増加を抑制する、点接触によるスラスト受け
構造としたため、摩擦抵抗および摺動抵抗がきわめて小
さく、推力の損失がごく少なく、その分推力の大きいリ
ニア駆動装置を得ることができる。

【００３２】請求項２記載の発明によれば、スラスト受
け構造を、ロータ後端の回転中心点を受ける構造にした
ため、摺動抵抗をより一層小さくすることができ、推力
の損失がごく少なく、その分推力の大きいリニア駆動装
置を得ることができる。摺動音も小さくなるため、作動
時の騒音も小さくすることができる。

【００３３】請求項３、４および５記載の発明によれ
ば、所期の目的を達成することが可能なリニア駆動装置
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるリニア駆動装置の実施形態を示
す縦断面図である。

【図２】上記実施形態中のカバーを除去してアメリカン
・ワインディング・ストップ機構の部分を示す正面図で
ある。

【図３】上記アメリカン・ワインディング・ストップ機
構の動作を示すもので、（ａ）は一方の回転限界を、
（ｂ）は他方の回転限界を示す正面図である。

【符号の説明】

２検出手段としての磁気センサ３検出手段としての磁気センサ４カバー５ガイド部としてのガイド軸６回転阻止手段７位置検出手段としての磁石片８回路基板１４スラスト受け１５低摩擦部材であるキャップ１６ロータ２４可動軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｋ 7/06 Ｈ０１Ｇ 9/05 ＦＦターム(参考） 3J062 AA60 AB21 AC07 BA26 BA31 BA32 CD02 CD23 CD34 CD35 CD54 5H605 AA04 BB05 BB10 CC04 CC08 EB03 EB06 EB17 5H607 AA00 BB01 BB10 BB14 CC01 CC03 CC07 DD16 DD18 EE31 EE53 GG01 GG03 GG09 HH01 HH09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】モータのロータの回転運動を駆動軸の直
進運動に変換する変換手段を有するリニア駆動装置にお
いて、上記可動軸の前進時に可動軸にかかるスラスト方向の反
力を受けるスラスト受け構造を有し、上記スラスト受け構造は、上記可動軸の前進時に可動軸
にかかるスラスト方向の反力に基づく上記ロータの回転
摩擦の増加を抑制する、点接触によるスラスト受け構造
であることを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項２】スラスト受け構造は、ロータ後端の回転
中心点を受ける構造である請求項１記載のリニア駆動装
置。
【請求項３】可動軸の前進によってロータをスラスト
受け構造側に押圧する向きの負荷が、可動軸の後退によ
ってロータをスラスト受け構造側から引き離す向きの負
荷よりも大きい請求項１または２記載のリニア駆動装
置。
【請求項４】ロータは、中心に可動軸を内設する円筒
部を有し、この円筒部の内周側には小径部と大径部が形
成され、大径部の後端に低摩擦部材が嵌合され、この低
摩擦部材がスラスト受け構造の一部を構成している請求
項１、２また３記載のリニア駆動装置。
【請求項５】小径部は円筒部の前端側に設けられ、こ
の小径部の内周側に、可動軸の外周に形成されている雄
リードスクリューと噛み合う雌リードスクリューが形成
されている請求項４記載のリニア駆動装置。