JP2007523309A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

幾つかの段付きの減速機およびそれに接続された起動要素（６）を介してスピンドル（４）を駆動する可逆電動モータ（２）付きのリニアアクチュエータ。過負荷クラッチ（２１）が減速機の第１段または第１段の１つと接続して配設される。これは構造および負荷の観点から有利である。構造の構築に大きい柔軟性が達成され、その上、クラッチはあまりひどく負荷されない。
【選択図】図１１

Description

本発明は、請求項１の導入部分に記載された型のリニアアクチュエータに関する。

上述した型の産業用のアクチュエータは、商標ＥＬＥＣＴＲＡＣの下で米国企業ワーナー・エレクトリック・ブレーキ・アンド・クラッチ・カンパニーによって市販されている。該アクチュエータは、スピンドルと減速機の出力側との間に配設されたボールアンドラチェット型クラッチ（ボールアンドラチェットクラッチ）の形の過負荷クラッチを具備する。過負荷クラッチのこの位置も、クラッチに対する高いモーメント負荷のため、アクチュエータの速度を制限する。該アクチュエータは少なくとも過去３０年間不変のバージョンで市販されてきた。

本発明の目的は、改善された特性を持ち、構造の構築における柔軟性を高めた、この型のアクチュエータを提供することである。

本発明に係るアクチュエータは、過負荷クラッチが減速機の第１段または第１段の１つと接続して配設されることを特徴とする。それは、過負荷クラッチがさほど大きいモーメント負荷を受けず、よってより小型化しかつ信頼性を高めることができることを意味する。低いモーメント負荷は、より大きいピッチのスピンドルを選択することによって、公知の構造に比較してアクチュエータの速度を増大することをも可能にする。過負荷クラッチを含めそこまでは同一の基本構造により、アクチュエータは、様々なスピンドルユニットおよび後続歯車段により、顧客特定的なニーズに対して容易に適応させることができる。モータから過負荷クラッチまでのトランスミッションラインの延長に、アクチュエータの自己ブロック能力を高めるためのブレーキ、特殊な状況で手動的にアクチュエータを駆動するためのクランク用のアダプタ、および他の追加式機能を、希望に応じて追加することができる。

完全を期すために、Dewert Antriebs-und Systemtechnik GmbA & Co.KGのドイツ特許公開第10327736A1号およびDana Corporationの欧州特許公開第1101571A2号が、ボールアンドラチェットクラッチを持つより小さい負荷用のアクチュエータを開示していることを示す必要がある。ここでスピンドルは単一のウォームギヤによって駆動され、クラッチは、ウォームホイールに当接してスピンドル上に固定的に装着されたシリンダ部材の側と係合して、ウォームホイールの側に組み込まれる。また、スピンドルナット自体に摩擦クラッチを設けることも知られていることも触れておく。Edward J.Faffneyの米国特許第4846011号を参照されたい。しかし、これは小型アクチュエータの場合だけである。
ドイツ特許公開第10327736A1号 欧州特許公開第1101571A2号 米国特許第4846011号

構造におけるその位置のため、過負荷クラッチに対するトルクは小さいので、今は単なるボールアンドラチェットクラッチ以外の形のクラッチを使用することが容易である。しかし、一般的に、極めて堅固なボールアンドラチェットクラッチを使用することは依然として魅力的である。キャップによって密閉された特殊構造については、請求項２に記載する。予め定められた力でキャップを押し下げ、ユニットをアクチュエータに取り付ける用意ができたときにクラッチが現れるようにそれを固定することにより、１つには独自の過負荷モーメントが確保され、もう１つにはアクチュエータに装着する前にそれらを容易に試験することが可能になる。完成したユニットは、アクチュエータの装着作業をもかなり容易にする。

ボール付きリングがギヤホイール付き軸部材と接続されるので、スピンドルにつながる歯車装置の後続段への遷移は簡単な方法で達成される。これにより、これらの段を顧客特定的な希望に適応させることも簡単になる。

アクチュエータの自己ブロック能力を高めるために、軸部材はブレーキ装置と接続することができ、それはその端部と係合した例えばねじばねおよび爪クラッチによって形成することができる。

特定の状況では、アクチュエータは手動で駆動できることが望ましい。この目的のために、軸部材またはその延長部は、キャビネットの開口を介してクランクまたは類似物を受容する装置とすることができる。これにより、アクチュエータはクランクにより駆動することができる。

スピンドル用のリアマウントおよび軸受の堅固かつ単純な固定は、キャビネットの陥凹に装着されかつキャビネットから突出するリアマウントの部分にねじ込まれるナットによって固定される、２部品から成る装着要素によって達成される。装着要素は、リアマウントが所望の位置に設定することができるように、多角形とすることができる。

負荷が非常に大きい産業用アクチュエータが関係するので、起動要素のためのガイド形材は、端部をキャビネットに固定することに加えて、ガイド形材の外側の縁の周りを掴持する２つの爪によってキャビネットに追加的に取り付けることができる。それにより、ガイド形材は簡単な方法で撓まないように固定される。

アクチュエータの電気的制御装置がキャビネットに組み込まれる場合、特に制御装置がモータに沿って配設される単一のプリント回路基板に設けられる場合、小型の構造が達成される。

２つのエンドストップスイッチによる特に確実かつ堅固なエンドストップの概念は、２つのアームが筺体のスロットに着座する長手方向に移動可能な要素によって達成され、前記アームはそれらの間に挿置された単一のばねを有し、その両端は筺体内のストップと追加的に係合する。該要素は、ばね力に抗して外側位置でスピンドルナットによって直接または間接的に起動される。ばねだけを、好ましくはバイアスばねを使用することにより、よく画定された移動がもたらされる。加えて、該要素がスイッチの外側に向かって誘導されるときに、スイッチのずっとよく画定された起動が達成される。

起動要素の位置は一般的に、同様にプリント回路制御板に設けられたホールセンサによって決定されるが、絶対位置決定を希望する場合、安全クラッチとスピンドルとの間のダウンギヤリングと係合する追加式ユニットとして構成された電位差計を使用することが可能である。追加式ユニットとしての電位差計の構成は、構造の残部に介入することなく装着を大幅に簡素化する。

本発明のさらなる特徴は、添付の図面に関連してさらに詳細に下述する、本発明の以下の実施形態から明らかになるであろう。

図面（図４）から明らかな通り、アクチュエータの主要構成部品は、キャビネット１、可逆電動モータ２、幾つかの段を持つ減速機３、スピンドル４、スピンドルナット５、内管とも呼ばれる筒状ピストンの形の起動要素６、外管とも呼ばれるそのためのガイド７、および最後にリアマウント８によって形成される。

強度のために成形アルミニウムから作られたキャビネット１は、ねじで取り付けられるエンドカバー１ａを有し、さらに接合部は水密性である（図１および２）。略方形の断面を有する押出しアルミニウム管である外管７は、ねじにより取り付けられ、ここでもまた、接合部は水密性である。外管７の片面には２つの長手方向の溝９ａ、９ｂが設けられ、それは追加の機器を取り付けるために使用することができる。さらに、管７は各角にねじ溝付きで押出し成形され、円弧に類似した断面を有する長手方向突条片１０ａ〜ｄを外部に形成する。外管を固定するために、外管は２つの条片１０ａ、１０ｂによる取付中に、条片１０ａ、１０ｂを掴持する２つの爪状突起１１ａ、１１ｂを有するキャビネット１の前端における、この目的用に意図された凹所内に押し込まれる。

モータ２はキャビネット内に固定され、その内部には、モータの後端でゴムリング１２を受容するために陥凹が設けられている（図４）。モータ軸１５の延長に位置する中心管状軸１４を有する特殊構成のブラケット１３（図１９）は、モータの前端に２個のねじによって固定される。

減速機の第１段は遊星歯車によって形成される。モータ軸の延長端は、直径方向に対向して配置された１対の斜歯のギヤホイール１８と係合する太陽輪１７として構成される（図１０）。軌道輪２０と係合した遊星輪１９は各ギヤホイール１８と一体的に成形される。

中心開口を持つ鐘形の軌道輪は、ボールアンドラチェットクラッチ２１の基礎を形成する。リング状ディスク２２は上面に固定され、前記ディスクは、リング２４の通し孔に配置される対応する個数のボール２３用の座として、多数の、ここでは６個の、陥凹を有する（図１１）。ボールがリングの両面からわずかに突出するように、リングの厚さはボールの直径よりわずかに小さい。このリング２４は、一端が軌道輪２０のハブ２６上に内向きに着座した管状軸部材２５に固定される。ボールのための陥凹の場合と同様に、緩いリング状ディスク２７がボールの上に設けられる。ボールは、上にあるキャップ２９の天井に向かって延びる、ここでは２つの皿ばね２８の形のばね力によって２つのリング状ディスク２２、２７と係合状態に維持される。キャップは両側を軌道輪２０の外側に固定される。この目的のために、軌道輪には環状溝が設けられる。キャップは予め定められた圧力によって軌道輪上に押し下げられ、皿ばね２８を偏倚させる。予め定められた圧力に達すると、キャップと軌道輪が相互に相互固締されるように、キャップの側壁は局所的に変形して軌道輪の溝内に嵌合する。これは、構成部品の製造許容差とは関係なく、過負荷クラッチの明確に定まる最大トルクを単純な方法で確実にする。正常な動作条件下では、トルクは、ボールと２つのリング状ディスクとの係合を介して、遊星歯車から伝達される。最大許容トルクに達すると、ボール２３はばね力２８に抗して、軌道輪２０上のリング２２におけるそれらの座から押し出され、ボールが飛び跳ねてそれらの座から出たり入ったりするので、強い雑音の発生と共に接続は遮断される。トルクが最大許容トルク未満に降下すると、ボールは再び座に定着する。

過負荷クラッチ２１は完成したユニットとして現われ（図４および１１）、それはモータの前端にブラケット１３の管状軸１４の上に内向きに適用され、軸の内部ショルダと係合状態にねじ３０およびワッシャにより固定される。太陽輪１７と係合された斜歯のホイール１８付き遊星輪１９は同様にブラケットに固定され、２つの対向壁にはギヤホイール用のスタブ軸がある。スピンドル４へのさらなるトランスミッションのためにギヤホイール３１が管状軸１４に固定される。

ボールスピンドルおよび大きいピッチを有するアクメねじ付きスピンドルのような、それ自体自己ブロックしないスピンドル型の場合、または必要な場合、アクチュエータは、内側に曲げられた端３３を持つねじばね３２に基づくブレーキを具備することができる（図４および６）。ばねは、筺体内の筒状インサート３４内を側壁まで延出する。ブレーキ効果は、ばねの外面と、ばねが圧接固定されている筒状壁との間の摩擦の結果である。爪クラッチの第１部分３５ａはブラケット軸上の上述したギヤホイール３１に装着され、ばねの一端３３と係合することができる。該部分は、ギヤホイール３１の側面の穴に着座する２つのノブを有する。爪クラッチの他の部分３５ｂは、過負荷クラッチから管状軸１４の端部に着座してスプライン接続により固定された、管状部分を有する。モータが作動すると、一方の爪部３５ｂは回転してアクチュエータの後端に最も近いばね端３３と係合して、ばねを収縮させ、よってそれは側壁から解放され、アクチュエータはそれにより自由に動作する。モータが静止しているときに、ばね３２は側壁に対するその偏倚のために、制動を引き起こす。スピンドル４がそれに掛かる大きい負荷のために、第１爪部３５ａにトルクを掛ける場合、これは回転して過負荷クラッチに最も近いばね端と接触し、それによりばね３２を側壁に対してさらに圧接固定し、制動力を増大する。

例えばアクチュエータが組み込まれている構造の修理、調整、または一般的に停電のために、アクチュエータを手動で駆動させたい場合には、アクチュエータは手動で駆動させることができる。この目的のために、キャビネットのねじ３６は取り外され、これにより他の爪部３５ｂにアクセスすることができる（図４）。ねじはアレンねじであり、ねじに使用される同じアレンキーは爪部の中心六角穴に嵌め込まれる。爪部をアレンキーによって回転すると、ブレーキばね３２が緩められ、アクチュエータをキーによって回転させることができる。

特定の希望に適応させることのできるギヤホイール列は過負荷クラッチから延びる。ブラケット軸２５上のギヤホイール３１は現在別のギヤホイール３７に係合され、その横により小さいギヤホイールが設けられ、それは次に、二重Ｄ字状溝接続３９でスピンドルの軸上に装着されたより大きいギヤホイール３８と係合する。モータは３０００ｒｐｍ／分程度の回転数を有し、遊星歯車を含めそこまでのギヤリングは１５程度である。ギヤホイール列のギヤリングは、所定の枠組内で自由に変えることができる。大きい最大負荷を希望する場合、ギヤホイール列は例えば、３程度のギヤリングを備えることができる。それは７０００Ｎ程度の最大負荷に対応する。より小さい負荷の場合、ギヤホイール列は例えば１程度のギヤリングを備えることができ、それは２５００Ｎ程度の最大負荷に対応する。したがって総ギヤリングは４５ないし１５程度となる。１２ｍｍのスピンドルピッチおよび規定モータ速度の場合、これは８００ｍｍ／秒ないいし２４００ｍｍ／秒の内管の速度をもたらす。

図面の図３はアクチュエータの基本構造を示す。部分Ａは示す通りに標準ユニットとして適用される一方、部分Ｂは、顧客特定的な希望に合わせて適応させることができる。

キャビネットに着座するアクチュエータのリアマウント８の端部は、キャビネットの端部カバーの対応する凹所に受容される六角形断面の取付要素４０に装着される（図６および１１）。したがってリアマウントは、アクチュエータが組み込まれる構造にその位置を適応させるために、３０度ずつ回転させることができる。取付要素は、要素４０のフランジがリアマウントの溝と係合する形で固定されるリアマウント８の周りに組み立てられる２つの部分４０ａ、４０ｂから構成される。要素４０は、スピンドルの軸上にブシュを介して固定される玉軸受４１用の座をも含む。軸受は、ブシュ４３のブレストおよび軸の外端に装着されたヘッド４４に当接して固定される。スピンドルユニット４付きの取付要素４０は、そこから突出してカバーの外側に当接して固定されるリアマウントの部分で、ナット４２によってカバー１ａに固定される。
リアマウント８は目４５のある筒状要素を有するが、アクチュエータは顧客特定的なリアマウントを設けることができることは理解されるであろう。

前述の通り、外管７は、スピンドル４および内管６を密閉する、外部方形断面および内部円形断面を有するアルミニウム形材である（図４）。スピンドルナット５は、アクチュエータに対面する内管６の端部に装着される。スピンドルナットはプラスチック製であり、スピンドル要素の端部の凹所に装着され、スピンドルナットが故障した場合に引き裂かれる引裂き可能な要素によって固定される金属製の安全ナットを具備することができ、それにより安全ナットが負荷を受け継ぐ。内管６から後方に突出するスピンドル５の端部は、外管７の内側に向かって誘導を行なうガイドブシュ５として構成される。スピンドルナット５を回転固定するために、ナットの部分５ａには、その目的に意図された外管７の溝に着座する４つのボス５ｂが設けられる（図１５）。さらに、内管６が誘導を行なう方向のガイドブシュ４６は同様に、アクチュエータとは反対の方向を向いた外管７の端部に設けられる。最後に、内管用のリップシール付きのシールリングを収容する端部カバーが外管に蝶着される。エンドストップが故障した場合に備えて、予備の安全装置として、リングの形の機械的止め子、緩衝器がスピンドル４の外端に固定される。内部に軸部が挿置された内管６の端部にマウント４８が固定され、それによって内管は、アクチュエータが組み込まれる構造に固定することができる。マウントはここではピストンロッドアイとして構成されるが、言うまでもなく、それは顧客特定的な希望に適応させることができる。

アクチュエータの制御に必要な全てのコンポーネントおよび回路を持つＣＳプリント回路基板４９は、キャビネット１内のモータ２の下に挿置される（図１１）。ＣＳプリント回路基板は、アクチュエータの外部に配置されたＤＣ電源のみならずＡＣ電源でも動作するように構成される。モータの回転方向を反転させるために、以前のように機械的に動作するリレーではなく、４つのＦＥＴトランジスタを有するブリッジが使用される。ＣＳプリント回路基板は、ケーブル５０、５１用のゲートを両側に有するキャビネットの前端まで延在する（図１６）。ゲートに関連して、ＣＳプリント回路基板はケーブル用のプラグ５０ａ、５１ａを有する。一方のケーブル５０は電源ケーブルであり、他方のケーブル５１は、例えば手動制御またはＰＬＣ制御用の制御ケーブルである。内管６の位置は、ＣＳプリント回路基板の後縁に配設された２つのホールセンサ５２によって決定され、それはギヤホイール３７の側面に配置された多極磁石５３によって起動される。内管のエンドストップ位置は、ＣＳプリント回路基板に実装された２つのエンドストップスイッチ５４、５５によって決定される。矩形であるスイッチの周りに滑動要素５６が配設され、前記滑動要素には２つのフレーム形開口が設けられ、それはスイッチの横に向かって誘導され、特定の位置でこれらを起動する（図１１および１７）。滑動子は、スピンドルナット５の後ろで下方に延びる角形脚５６ａを有する。スピンドルナットがその最内奥位置にくると、その後縁が脚５６ａに衝突し、滑動子５６を引っ張り、それぞれのスイッチ５４を起動させてモータへの電力を遮断する。さらに、細長い板状ロッド５７が一端を脚に固定され、外管７の内部で溝内を誘導され、その前端まで移動する。前記ロッドは、スピンドルナット５のカラーの前で下方に延びるフラップ５７ａを有する。外側位置でカラーはフラップに衝突し、ロッドを引っ張り、それによって滑動要素を引っ張り、他方のスイッチ５５を起動させ、それによってモータへの電力を遮断する。滑動要素はＣＳプリント回路基板のスロット内に延在する２つのフィンガ５８ａ、５８ｂを有し、その反対側の面に細長い筺体５９が装着され、その中にわずかに偏倚したコイルばね６０が両端の間に装着されるので、滑動要素５６は中立位置に維持される。筺体の両端には、ばねの両端と係合する滑動要素のフィンガのためのスロットが設けられる。それによって滑動要素は、単一のコイルばねにより中立位置に維持される。滑動要素５６がアクチュエータの後端に向かって移動すると、ばね６０はアクチュエータの前端から最も遠く離れたフィンガ５８ｂによって筺体の後端に対して押圧される一方、アクチュエータの後端から最も遠く離れたフィンガ５８ａはそのスロット内で筺体５９から変位する。反転時、つまりスピンドルナット５がその最内端位置から離れ、外側に移動するときに、ばね張力は滑動要素５６が中立位置を取ることを確実にし、ばね６０は偏倚するので、中立位置は一意に決定される。スピンドルナット５がその外側位置にあるときに、同じことが他方のスイッチ５５で起きる。

アクチュエータは内管の絶対位置決定のために、ホールセンサの代わりに電位差計６１を備えることができる（図１８）。この電位差計は追加式ユニットとして構成され、モータの前端のブラケットの軸部材にブシュ６６により固定することができる。電位差計ユニットは歯車装置を持つシャーシ６２上に構築され、回転軸６１ａを持つ電位差計は、２つの〇リング６３を介してギヤホイール６４上の管状軸部材６４ａ内に移動する。電位差計がその外側位置に達すると、Ｏリングはスリップクラッチとして働く。歯車装置の最後のギヤホイール６５は、スピンドル上のギヤホイールを駆動するギヤホイール３７と一体的に設けられたギヤホイールと係合する。

ガイド形材内を誘導される管状スピンドルロッドがスピンドルナットに固定された、アクチュエータについて上述した。代替的にアクチュエータはピストンロッド無しに構成することができ、その場合ナットは、例えばリナックＡ／ＳのＤＫ１７４４５７Ｂ１から公知の通り、アクチュエータが組み込まれた構造に固定されることは理解されるであろう。

前方から見たアクチュエータの斜視図である。 後方から見たアクチュエータの斜視図である。 アクチュエータの基本的構造の略図である。 アクチュエータの縦断面図である。 アクチュエータの正面図である。 図４の線Ｋ−Ｋに沿って切った断面図である。 アクチュエータの背面図である。 アクチュエータの底面図である。 図８の線Ｇ−Ｇに沿って切った断面図である。 図８の線Ｉ−Ｉに沿って切った断面図である。 アクチュエータの縦断面図である。 図１１の線Ｆ−Ｆに沿って切った断面図である。 図１１の線Ｊ−Ｊに沿って切った断面図である。 図１１の線Ｑ−Ｑに沿って切った断面図である。 図１１の線Ｓ−Ｓに沿って切った断面図である。 アクチュエータの図１１の線Ｈ−Ｈに沿って切った縦断面上面図である。 プリント回路制御基板の組立分解図である。 電位差計ユニットの組立分解図である。 モータの前端のブラケットの斜視図である。

Claims (10)

1. ａ）キャビネット（１）
   ｂ）モータ軸付き可逆電動モータ（２）と、
   ｃ）幾つかの段を持ち、入力側の第１段が前記モータ軸に接続された減速機と、
   ｄ）一端が前記減速機の最終段の出口側に接続され、他端がアクチュエータの前端を指し示すスピンドル（４）と、
   ｅ）前記モータの回転の現在の方向に応答して前記スピンドル上を前後に移動させるために、前記スピンドル上で回転しないように固定されるとともに、前記アクチュエータが組み込まれる構造に間接的または直接的に固定することのできるスピンドルナット（５）と、
   ｆ）同様に前記アクチュエータが組み込まれる構造に前記アクチュエータを取り付けるための前記アクチュエータの後端におけるリアマウント（８）と、
   ｇ）予め定められたトルクで解放される過負荷クラッチ（２１）と、を備え、
   前記過負荷クラッチが前記減速機の第１段または第１段の１つと接続状態に配設されることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記過負荷クラッチ（２１）がボール用の穴付きリング（２４）を備えたボールアンドラチェット型クラッチによって形成され、その側のボールは前記モータからのトランスミッションと確実に接続された第１プレート（２２）内の陥凹と係合し、かつ反対側では第２プレート部材（２７）内の陥凹と係合し、キャップ（２９）の天井に当接して装着されたばね（２８）が前記プレート部材およびそれによってボールを係合状態に維持し、前記キャップが予め定められた力によって直接または間接的に前記第１プレート部材に固定され、前記ボール付きリングがさらなるトランスミッションにより前記スピンドルに接続されることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記スピンドルにつながる歯車装置の後続段への遷移として、前記ボール付きリング（２４）がギヤホイール（３１）付き軸部材（２５）と接続されることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記アクチュエータの自己ブロック能力を高めるために、前記軸部材（２５）がブレーキ装置（３２〜３５）と接続されることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
5. 前記アクチュエータの手動操作のために、前記軸部材（２５）の端部またはその延長部が前記キャビネットの開口を通してクランクを受容するように構成されることを特徴とする請求項２または３に記載のアクチュエータ。
6. 前記キャビネットの陥凹に装着された２つの部品（４０ａ、４０ｂ）から構成され、かつ前記キャビネットから突出するリアマウントの部分にねじ込まれるナット（４２）により固定される取付要素に、前記リアマウント（８）および前記スピンドル用の軸受（４１）が固定されることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
7. 起動要素（６）用のガイド形材（７）が、前記キャビネットの端部に固定されることに加えて、前記ガイド形材の外側の縁の周りを掴持する２つの爪（１１ｂ、１１ａ）により、前記キャビネットに追加的に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
8. 前記アクチュエータのための電気的制御装置（４９）が前記キャビネットに組み込まれることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
9. 前記スピンドルナットのエンドストップ位置が、筺体（５）のスロットに着座する２つのアーム（５８ａ、５８ｂ）を持つ長手方向に移動可能な要素（５６）によって起動する２つの電気スイッチ（５４、５５）によって制御され、前記アームがそれらの間に挿置されたばね（６０）を有し、前記ばねの両端が追加的に前記筺体内の止め子と係合することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
10. 前記起動要素の位置が、安全クラッチと前記スピンドルとの間のダウンギヤリングと係合する追加式ユニットとして構成された電位差計（６１）により決定されることを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータ。

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