JP2006153174A - 直線駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 可動体の位置を精度よく制御でき、かつ、停電時でも可動体を容易に後退させることのでき、さらに、モータの回転を減速輪列で減速して可動体を駆動するように構成した場合でも、停電時に可動体が後退した際に減速輪列に欠歯などの不具合が発生しない直線駆動装置を提供すること。
【解決手段】 直線駆動装置１は、ステッピングモータ２０の正回転動作を変換して可動体４０を軸線方向に前進させる変換機構５５として斜面カム機構５０が用いられている。また、停電時には、復帰動作用バネ６０の付勢力で最終歯車体３４を逆回転させて可動体４０を後退させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガス流量制御装置のニードル弁などを駆動するための直線駆動装置に関するものである。

ガス流量制御装置のニードル弁などを直線駆動するには、ステッピングモータのモータ出力軸とスライダとの間に構成したネジ機構によってスライダを直線駆動し、ニードル弁を駆動している（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−３１０４２４号公報

しかしながら、ネジ機構によってモータ出力軸の回転をスライダの直線移動に変換する構成では、ネジのリード角が小さいため、スライダに短い距離を移動させるだけでも回転数を多く設定する必要があり、応答性が低い。また、リード角が小さいので、停電時、バネなどを利用してスライダを押し戻して弁を閉じるのは困難である。

一方、ニードル弁をソレノイドで駆動する構成も考えられる。この場合には、ノーマルクローズのソレノイドを使用すれば、停電時、弁を閉じることができる。しかしながら、ソレノイドを用いた場合には、ガス流量の細かな制御が不可能である。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、可動体の位置を精度よく制御でき、かつ、停電時でも可動体を容易に後退させることのできる直線駆動装置を提供することにある。

また、本発明の課題は、モータの回転を減速輪列で減速して可動体を駆動するように構成した場合でも、停電時に可動体が後退した際に減速輪列に欠歯などの不具合が発生しない直線駆動装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明では、可動体を軸線方向に直動させる直線駆動装置であって、モータと、該モータの回転を減速して伝達する減速輪列と、該減速輪列の最終歯車体の正回転動作を変換して前記可動体に伝達することにより前記可動体を軸線方向に前進させる変換機構と、前記モータの通電が停止されたときに前記最終歯車体を逆方向に回転させる復帰機構とを有し、前記変換機構は、前記最終歯車体と前記可動体との間に形成された斜面カム機構を備えていることを特徴とする。

本発明では、モータの正回転動作を変換して可動体を軸線方向に前進させる変換機構として斜面カム機構が用いられているため、ネジ機構と比較して、リード角を大きくできる。従って、スライダを移動させる際、最終歯車体の１回転以下の回転動作で可動体の移動を完了することができる。また、斜面カム機構であれば、停電時、バネの付勢力などといった小さな力で最終歯車体を逆回転させて可動体を後退させることができる。また、モータおよび減速機構で可動体を駆動するので、可動体の位置を精度よく制御できる。

本発明において、前記モータは、例えば、ステッピングモータである。ステッピングモータを用いれば、可動体の位置をさらに精度よく制御できる。

本発明において、前記斜面カム機構に用いられた傾斜カム面は、前記最終歯車体の１回転以下の動作で前記可動体の前進動作を完了させることが好ましい。このように構成すると、可動体を応答よく駆動することができる。また、傾斜カム面を１重に形成すればよいので、構造を簡素化できる。また、１重の傾斜カム面であれば、直線駆動装置を組み立てる際、最終歯車体および可動体を同一方向から順次、組み込んでいく方法でカム機構を組み立てることができる。

本発明において、前記斜面カム機構に用いられた傾斜カム面は、例えば、前記最終歯車体の側で前記可動体の前進方向に向いている。このように構成すれば、直線駆動装置を組み立てる際、最終歯車体および可動体を同一方向から順次、組み込んでいく方法でカム機構を組み立てることができる。

本発明において、前記復帰機構には、前記最終歯車体を逆回転方向に付勢する復帰動作用バネを用いることができる。この場合、前記復帰動作用バネは、両端が各々前記最終歯車体および固定部材に保持された復帰動作用コイルバネを用いることができる。また、前記復帰動作用バネは、前記最終歯車体を逆回転方向に付勢する方向に変形した状態で組み込まれていることが好ましい。このように構成すると、最終歯車体がどのような回転位置にあっても、停電の際、最終歯車体を逆回転させて可動体を後退させることができる。

本発明において、前記ロータと前記減速輪列との間には、前記最終歯車体が逆方向に回転した後、急停止した際、前記モータのロータの慣性による回転の前記減速輪列への伝達を阻止するワンウエイクラッチが構成されていることが好ましい。最終歯車体が逆回転すると、その回転は、増速してロータに伝達され、ロータが高速回転している。このため、最終歯車体が急停止すると、モータのロータの慣性による回転が減速輪列に伝達されて、減速歯車を構成する歯車に欠歯などの不具合を発生させるが、ワンウエイクラッチを構成しておけば、このような不具合が発生しない。

本発明において、前記ワンウエイクラッチにおいては、前記ロータと前記減速輪列との間において前記最終歯車体を正回転させる際には巻き締まるように配置されたクラッチ用コイルバネを用いることができる。

本発明において、前記最終歯車体が逆方向に回転した際に当該最終歯車体を停止可能なストッパが構成されていることが好ましい。本発明では、前記最終歯車体が逆方向に回転した後、急停止した場合でも、減速歯車を構成する歯車に欠歯などの不具合が発生しないので、最終歯車体が逆方向に回転した際にストッパで最終歯車体を停止させることが好ましい。

かかる構成は、前記モータにおいて、ステータとロータとの間に仕切り壁が形成されている場合に効果的である。すなわち、前記モータにおいて、ステータとロータとの間に仕切り壁が形成されている場合、ステッピングモータを用いた場合でも、ステータとロータとの間に作用する保持力が小さいので、最終歯車体が逆回転した際、ロータが高速回転してしまうが、本発明によれば、このような場合でも、減速歯車を構成する歯車に欠歯などの不具合が発生するのを確実に防止することができる。

本発明に係る直線駆動装置では、モータの正回転動作を変換して可動体を軸線方向に前進させる変換機構として斜面カム機構が用いられているため、ネジ機構と比較して、リード角を大きくできる。従って、スライダを移動させる際、最終歯車体の１回転以下の回転動作で可動体の移動を完了することができる。また、斜面カム機構であれば、停電時、バネの付勢力などといった小さな力で最終歯車体を逆回転させて可動体を後退させることができる。

以下、添付図面に基づいて、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（全体構成）
図１および図２はそれぞれ、本発明に係る直線駆動装置の外観図およびその断面図である。

図１および図２において、本形態の直線駆動装置１は、可動体４０の軸線方向Ｌの移動によって、ガス流量制御装置のニードル弁（図示せず）などを直線駆動するための装置である。この直線駆動装置１は、まず、駆動源としてのステッピングモータが収納される下ケース１１と、可動体４０などが収納される上ケース１３と、下ケース１１と上ケース１３とを連結させる中ケース１５（図１では図示を略）とを有している。また、中ケース１５の内側にはスリーブ１７が固定されている。下ケース１１にはステッピングモータ２０への給電を行うための端子台２８が形成され、そこに固着された端子２８１にはフレキシブル配線基板２８０（図１では図示を略）が接続されている。

下ケース１１の内部は、カップ状の密閉ケース１４によって２つの空間に仕切られており、この密閉ケース１４のフランジ部分は、下ケース１１のフランジ部と中ケース１５のフランジ部を連結した状態でこれらのフランジ部の間に保持され、かつ、密閉ケース１４の内側はＯリング１６によって密閉されることになる。

ここで、上ケース１３の上端部には、その円形の開口の中央を跨ぐように支持部１３０が形成されている一方、密閉ケース１４の底部には小さな凹部１４０が形成されており、支持部１３０の孔１３５と密閉ケース１４の凹部１４０によって支軸１９の両端が固定されている。

（減速輪列、斜面カム機構の構成）
図３および図４はいずれも、本発明に係る直線駆動装置に用いた減速輪列、斜面カム機構および可動体を示す斜視図である。図５は、本発明に係る直線駆動装置に用いたストッパ機構の斜視図である。

本形態の直線駆動装置１では、以下に詳述するように、下段側から上段側に向かって、駆動源としてのステッピングモータ２０、減速輪列３０、可動体４０が配置されている。

まず、密閉ケース１４の外周側には、駆動コイル２１を備えた環状のステータ２３が配置され、その内側にはロータマグネット２６を備えたロータ２７が形成されている。ここで、ステータ２３の内周面にはヨーク２２の極歯が周方向に配置され、ロータマグネット２６の外周面は周方向に分極着磁されている。

また、図３および図４に示すように、ロータ２７の上方位置には、第１の歯車体３１、第２の歯車体３２、第３の歯車体３３、および最終歯車体３４を備えた減速輪列３０が地板１８上に構成されている。ここで、最終歯車体３４は、その外周側下半部に外歯３４０を備え、支軸１９に回転可能な状態で支持されている。

最終歯車体３４の上部は、上方に向けて開口する円筒部３４８になっており、この円筒部３４８の内部には、その上方位置に配置された丸棒状の可動体４０の下端部が嵌っている。この可動体４０も支軸１９に回転可能な状態で支持され、かつ、可動体４０と最終歯車体３４とは独立して回転可能である。

最終歯車体３４の上端縁には、上向きの傾斜カム面３４５が１重に形成されている一方、可動体４０の外周面には下向きの傾斜カム面４４５が１重に形成されており、これらの傾斜カム面３４５、４４５によって斜面カム機構５０が構成されている。また、可動体４０の上半部は、軸線方向に延びる溝４３によって２つの横断面半円形の柱状部４１、４２に分割されており、かつ、２つの柱状部４１、４２の各上端部はそれぞれ、上ケース１３の上端部において支持部１３０によって分割された半円形の開口１３１、１３２に嵌って、可動体４０の供回り防止機構５１が構成されている。従って、本形態では、斜面カム機構５０および供回り防止機構５１によって、最終歯車体３４の矢印ＣＣＷ（図３、図４参照）で示す正回転動作を変換して可動体４０に伝達することにより可動体４０を軸線方向上側に向けて前進させる変換機構５５が構成されている。

このように構成した直線駆動装置１では、ステッピングモータ２０に通電してロータ２７を回転させ、この回転の減速輪列３０を介して減速した後、最終歯車体３４の回転を変換機構５５を介して可動体４０に伝達する。その際、最終歯車体３４が正方向（図３、図４に矢印ＣＣＷで示す方向）に回転すると、その回転が変換機構５５を介して可動体４０に伝達されて、可動体４０は、軸線方向において矢印Ａで示す方向に前進し、ガス流量制御装置のニードル弁（図示せず）を開方向に移動させる。

ここで、最終歯車体３４および可動体４０の傾斜カム面３４５、４４５は１重に形成されており、可動体４０の動作は、最終歯車体３４の１回転以下の動作で可動体４０の前進動作が完了する。従って、本形態では、図５に示すように、最終歯車体３４のフランジ部の底面に突起３４９を形成する一方、スリーブ１７の上端面に突起１４９を形成し、これらの突起１４９、３４９が度当たりすることにより、最終歯車体３４の１回転以上の回転を阻止するストッパ８０が形成されている。ここで、ストッパ８０は、以下に説明する停電の動作において、最終歯車体３４が逆方向に回転した際に最終歯車体３４を停止させるストッパとしても機能する。

（停電対策）
図６（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る直線駆動装置において最終歯車体体に復帰機構を組み込んだ状態の斜視図、および復帰機構を構成するコイルバネの斜視図である。図７（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る直線駆動装置においてロータにワンウエイクラッチを組み込んだ状態の斜視図、およびワンウエイクラッチを構成するコイルバネの斜視図である。

本形態の直線駆動装置１において停電が発生すると、ガス流量制御装置では、１秒以内にニードル弁を完閉位置に移動させる必要がある。このような復帰動作を行うにあたって、本形態では、変換機構５５として斜面カム機構５０を採用したこと、および可動体４０はガス流量調整装置の側から後退する方向に付勢されていることを利用して、以下の復帰機構などが構成されている。

まず、本形態では、可動体４０が前進した状態でステッピングモータ２０への給電が停止した際に可動体４０を後退させるための復帰機構として、図６（ａ）（ｂ）に示す復帰動作用コイルバネ６０が搭載されている。すなわち、復帰動作用バネ６０の一方端６１は、上ケース１３（固定部材）の内側のフック部１３７に掛けられ、復帰動作用バネ６０の他方端６２は、最終歯車体３４のフック部３４７に掛けられている。ここで、復帰動作用コイルバネ６０は、最終歯車体３４を逆回転方向に付勢する方向にある程度、変形した状態で組み込まれている。

このような復帰動作用コイルバネ６０を配置した場合も、通常時、ステッピングモータ２０に給電してロータ２７を回転させて最終歯車体３４を正方向（図３、図４に矢印ＣＣＷで示す方向）に回転させる際には、その駆動力が復帰動作用コイルバネ６０の形状復帰力に打ち勝っているので、最終歯車体３４を正方向に回転させ、可動体４０を前進させることができる。

但し、復帰動作用コイルバネ６０の形状復帰力は、ステッピングモータ２０のコギングトルクによって最終歯車体３４を停止させようとする力よりも大きい。従って、ステッピングモータ２０への給電が停止すると、復帰動作用コイルバネ６０は、その形状復帰力によって最終歯車体３４を逆方向（図３、図４に矢印ＣＷで示す方向）に回転させる。その結果、可動体４０は、ガス流量制御装置からの付勢力で、図１〜図４に矢印Ｂで示す方向に後退するので、ガス流量制御装置では１秒以内にニードル弁が完閉位置に移動する。

このような復帰動作が行われる際、最終歯車体３４が逆方向に回転すると、その回転は減速輪列３０を逆方向に増速した状態で伝達され、ロータ２７が高速回転する。しかも、本形態では、ステッピングモータ２０において、ステータ２３とロータ２７との間に密閉ケース１４（仕切り壁）が存在し、ステータ２３とロータ２７との間に作用するコギングトルクが小さい。さらにまた、最終歯車体３４の逆回転はストッパ８０の作動により急停止する。このため、減速輪列３０は回転を停止した際、ロータ２７は慣性力で回転し続けようとするため、このままでは、減速歯車を構成する歯車に欠歯などの不具合が発生するおそれがある。

そこで、本形態では、図２および図７（ａ）に示すように、図７（ｂ）に示すクラッチ用コイルバネ７０を利用して、ロータ２７の慣性による回転の減速輪列３０への伝達を阻止するワンウエイクラッチが構成されている。すなわち、本形態では、ロータ２７と減速輪列３０の第１の歯車体３１を各々独立して構成し、かつ、図７（ｂ）に示すクラッチコイルバネ７０の一方端７１をロータ２７内の溝などに掛ける一方、クラッチ用コイルバネ７０の一方端を第１の歯車体３１の溝などに掛けてある。このため、クラッチ用コイルバネ７０は、ロータ２７と減速輪列３０との間において最終歯車体３４を正回転させる際には巻き締まって回転を伝達するが、ロータ２７の慣性力による回転は、クラッチ用コイルバネ７０を緩めるだけで減速輪列３０の第１の歯車に伝達されない。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、ステッピングモータ２０の正回転動作を変換して可動体４０を軸線方向に前進させる変換機構５５として斜面カム機構５０が用いられているため、ネジ機構と比較して、リード角を大きくできる。従って、可動体４０を移動させる際、最終歯車体３４の１回転以下の回転動作で可動体４０の移動を完了することができる。また、斜面カム機構５０であれば、停電時、復帰動作用バネ６０の付勢力などといった小さな力で最終歯車体３４を逆回転させて可動体４０を後退させることができる。また、ステッピングモータ２０を駆動源として用いたため、可動体４０の位置を高い精度で制御することができる。

さらに、斜面カム機構５０に用いられた傾斜カム面は、最終歯車体３４の１回転以下の動作で可動体４０の前進動作を完了させるため、可動体４０を応答ヨーク２２駆動することができる。また、傾斜カム面を１重に形成すればよいので、構造を簡素化できる。また、１重の傾斜カム面であり、かつ、最終歯車体３４に形成された傾斜カム面は、可動体４０の前進方向に向いているため、直線駆動装置１を組み立てる際、最終歯車体３４および可動体４０を同一方向から順次、組み込んでいく方法でカム機構を組み立てることができる。このように構成すれば、直線駆動装置１を組み立てる際、最終歯車体３４および可動体４０を同一方向から順次、組み込んでいく方法でカム機構を組み立てることができる。

また、復帰機構に用いた復帰動作用コイルバネは、最終歯車体３４を逆回転方向に付勢する方向に変形した状態で組み込まれているため、最終歯車体３４がどのような回転位置にあっても、停電の際、最終歯車体３４を逆回転させて可動体４０を後退させることができる。

さらに、クラッチ用コイルバネ７０を利用して、ロータ２７と減速輪列３０との間には、最終歯車体３４が逆方向に回転した後、急停止した際、ロータ２７の慣性による回転の減速輪列３０への伝達を阻止するワンウエイクラッチが構成されているため、最終歯車体３４が急停止しても、モータのロータ２７の慣性による回転が減速輪列３０に伝達されることがないので、減速歯車を構成する歯車に欠歯などの不具合が発生しない。とりわけ、本形態では、ステータ２３とロータ２７との間に密閉ケース１４が開示しているため、ステータ２３とロータ２７との間に作用するコギングトルクが小さいので、最終歯車体３４が逆回転した際、ロータ２７が高速回転してしまうが、本形態によれば、このような場合でも、減速歯車を構成する歯車に欠歯などの不具合が発生するのを確実に防止することができる。

上述した形態は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形可能である。例えば、ワンウエイクラッチとしては、クラッチ用コイルバネ７０に代えて、ラチェット機構などを用いてもよい。また、復帰機構には、復帰用コイルバネ６０に代えて、ゼンマイなどを用いてもよい。さらに、斜面カム機構５０としては、最終歯車と可動体４０とを部分的に軸線と直交する方向で重ね合わせ、その重ね合わせ部分に斜面カム機構５０を構成してもよい。

本発明に係る直線駆動装置の外観図ある。 本発明に係る直線駆動装置の断面図である。 本発明に係る直線駆動装置に用いた減速輪列、斜面カム機構および可動体を示す斜視図である。 本発明に係る直線駆動装置に用いた減速輪列、斜面カム機構および可動体を示す斜視図である。 本発明に係る直線駆動装置に用いたストッパ機構の斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明に係る直線駆動装置において最終歯車体体に復帰機構を組み込んだ状態の斜視図、および復帰機構を構成するコイルバネの斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明に係る直線駆動装置においてロータにワンウエイクラッチを組み込んだ状態の斜視図、およびワンウエイクラッチを構成するコイルバネの斜視図である。

符号の説明

１ 直線駆動装置
１４ 密閉ケース（仕切り壁）
１９ 支軸
２０ ステッピングモータ
２７ ロータ
３０ 減速輪列
３４ 最終歯車体
４０ 可動体
５０ 斜面カム機構
５１ 供回り防止機構
５５ 変換機構
６０ 復帰動作用コイルバネ（復帰機構）
７０ クラッチ用コイルバネ（ワンウエイクラッチ）
８０ ストッパ
３４５、４４５ 傾斜カム面

Claims (11)

1. 可動体を軸線方向に直動させる直線駆動装置であって、
   モータと、該モータの回転を減速して伝達する減速輪列と、該減速輪列の最終歯車体の正回転動作を変換して前記可動体に伝達することにより前記可動体を軸線方向に前進させる変換機構と、前記モータの通電が停止されたときに前記最終歯車体を逆方向に回転させる復帰機構とを有し、
   前記変換機構は、前記最終歯車体と前記可動体との間に形成された斜面カム機構を備えていることを特徴とする直線駆動装置。
2. 請求項１において、前記モータは、ステッピングモータであることを特徴とする直線駆動装置。
3. 請求項１または２において、前記斜面カム機構に用いられた傾斜カム面は、前記最終歯車体の１回転以下の動作で前記可動体の前進動作を完了させることを特徴とする直線駆動装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記斜面カム機構に用いられた傾斜カム面は、前記最終歯車体の側で前記可動体の前進方向に向いていることを特徴とする直線駆動装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記復帰機構は、前記最終歯車体を逆回転方向に付勢する復帰動作用バネを備えていることを特徴とする直線駆動装置。
6. 請求項５において、前記復帰動作用バネは、両端が各々前記最終歯車体および固定部材に保持された復帰動作用コイルバネであることを特徴とする直線駆動装置。
7. 請求項６において、前記復帰動作用バネは、前記最終歯車体を逆回転方向に付勢する方向に変形した状態で組み込まれていることを特徴とする直線駆動装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、前記モータのロータと前記減速輪列との間には、前記最終歯車体が逆方向に回転した後、急停止した際、前記モータのロータの慣性による回転の前記減速輪列への伝達を阻止するワンウエイクラッチが構成されていることを特徴とする直線駆動装置。
9. 請求項８おいて、前記ワンウエイクラッチは、前記ロータと前記減速輪列との間において前記最終歯車体を正回転させる際には巻き締まるように配置されたクラッチ用コイルバネを備えていることを特徴とする直線駆動装置。
10. 請求項８または９において、前記最終歯車体が逆方向に回転した際に当該最終歯車体を停止可能なストッパが構成されていることを特徴とする直線駆動装置。
11. 請求項８ないし１０のいずれかにおいて、前記モータでは、ステータとロータとの間に仕切り壁が形成されていることを特徴とする直線駆動装置。

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