JP2008219998A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】大型化させることなく、十分なスラスト力を得ることができるリニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】電動モータと、電動モータの回転軸１５にウォーム３５、及びウォームホイール３７を介して連係されハウジング４に回転自在に支持された回転ネジ軸６と、回転ネジ軸６に螺合し、且つ回転ネジ軸６の正逆回転により相対的に軸線方向に往復移動する出力軸７とを備えたリニアアクチュエータ１であって、ハウジング４に回転ネジ軸６のスラスト荷重を受けるスラストプレート４７を設けると共に、このスラストプレート４７を挟んで一対のスラストベアリング４３ａ，４３ｂを振り分け配置した。
【選択図】図４

Description

この発明は、リニアアクチュエータに関するものである。

従来から、台形ネジ等を用いて電動モータの回転運動を直線運動に変換してスラスト力（推力）を得るリニアアクチュエータが知られている。
例えば、ハウジングに電動モータを取付け、この電動モータの回転軸に相対回転不能、且つ軸線方向に移動可能な変位部材を設けたものがある。この変位部材は、略筒状に形成されたものであって、その外周面に台形ネジの雄ネジ部が刻設されている。一方、ハウジングには、変位部材に対応する部位に台形ネジの雌ネジ部が刻設されており、この雌ネジ部と変位部材の雄ネジ部とが互いに螺合されている。このようなリニアアクチュエータにあっては、電動モータが正逆回転すると変位部材が回転軸と共回りしながら回転軸の軸線方向に沿って往復移動する（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１２８４１３号公報

ところで、近年、リニアアクチュエータのさらなる小型化、高出力化が要望されている。しかしながら、上述の従来技術にあっては、変位部材のスラスト荷重を台形ネジの雄ネジ部や雌ネジ部で受けることになるため、十分なスラスト力を得ることが困難である。そこで、台形ネジの雄ネジ部と雌ネジ部で発生する強大なスラスト力を、回転する台形ネジの雄ネジの軸受け、例えば、ボールベアリングで受けさせることも考えられるが、ボールベアリング等で強大なスラスト力を得るには限界があるという課題がある。
また、十分なスラスト力を得るために、例えば、変位部材の外径を大きくして各ネジ部のサイズを大きくしたり、ボールベアリングのサイズを大きくしたりする方法も考えられるが、リニアアクチュエータが大型化してしまうという課題がある。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、大型化させることなく、十分なスラスト力を得ることができるリニアアクチュエータを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、電動モータと、前記電動モータの回転軸にウォーム、及びウォームホイールを介して連係されハウジングに回転自在に支持された回転ネジ軸と、前記回転ネジ軸に螺合し、且つ前記回転ネジ軸の正逆回転により相対的に軸線方向に往復移動する出力軸とを備えたリニアアクチュエータであって、前記ハウジングに前記回転ネジ軸のスラスト荷重を受けるプレートを設けると共に、該プレートを挟んで一対のスラストベアリングを振り分け配置したことを特徴とする。
この場合、請求項２に記載した発明のように、前記回転軸に前記ウォームを設け、前記回転ネジ軸に前記ウォームホイールを設けてもよい。
このように構成することで、往復運動する出力軸のスラスト荷重を回転ネジ軸を介してスラストベアリングで受けることができる。しかも、一対のスラストベアリングをハウジングに設けられたプレートを挟んで振り分け配置しているため、このプレートとそれぞれのスラストベアリングで出力軸の往路、復路の両方向のスラスト荷重を受けることができる。
また、電動モータの回転力をウォーム、及びウォームホイールを介して回転ネジ軸に伝達させることで、回転ネジ軸のトルクを電動モータの回転軸よりも大きくすることができる。

請求項３に記載した発明は、前記電動モータは、アウターロータ型のブラシレスモータであることを特徴とする。
このように構成することで、電動モータを大型化することなく、電動モータ自体の出力をインナーロータ型の電動モータよりも高めることができる。

請求項４に記載した発明は、前記ハウジング、及び前記出力軸に、互いを相対回転不能、且つ軸線方向にスライド可能なスプラインをそれぞれ形成したことを特徴とする。
このように構成することで、確実に回転ネジ軸の回転運動を出力軸の直線運動に変換することができる。

請求項１、及び請求項２に記載した発明によれば、往復運動する出力軸のスラスト荷重を回転ネジ軸を介してスラストベアリングで受けることができる。しかも、一対のスラストベアリングをハウジングに設けられたプレートを挟んで振り分け配置しているため、このプレートとそれぞれのスラストベアリングで出力軸の往路、復路の両方向のスラスト荷重を受けることができる。このため、回転ネジ軸の軸受けを大きくすることなく、小型で十分なスラスト力に耐えるができる。
また、電動モータの回転力をウォーム、及びウォームホイールを介して回転ネジ軸に伝達させることで、回転ネジ軸のトルクを電動モータの回転軸よりも大きくすることができる。このため、電動モータを大型化させることなく、出力軸のスラスト力を高めることができ、高出力なリニアアクチュエータを実現することが可能になる。

請求項３に記載した発明によれば、電動モータを大型化することなく、電動モータ自体の出力をインナーロータ型の電動モータよりも高めることができる。このため、より小型で高出力なリニアアクチュエータを実現することが可能になる。

請求項４に記載した発明によれば、確実に回転ネジ軸の回転運動を出力軸の直線運動へと変換することができるため、より信頼性や性能を向上させることができる。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図４に示すように、リニアアクチュエータ１は、電動モータ２と、この電動モータ２にボルト３によって締結固定されたハウジング４とを備え、ハウジング４内にウォームギア５、回転ネジ軸６、及びこの回転ネジ軸６に螺合する出力軸７とを備えている。
電動モータ２は、略円筒状に形成されたモータケーシング８と、このモータケーシング８内に固定されたステータ９と、このステータ９に対して回転自在に設けられたロータ１０とを有する所謂アウターロータ型のブラシレスモータであって、モータケーシング８の両開口部をそれぞれブラケット１１，１２で閉塞している。

ステータ９は、略円筒状のステータコア１３を有しており、ハウジング４とは反対側のブラケット１１に固定されている。ステータコア１３は、磁性材料の金属板１４を軸線方向に積層したものである。このステータコア１３の径方向略中央には、後述するブラケット１１の筒部２７を挿通可能な挿通孔１６が形成されている。また、ステータコア１３には、放射状に径方向外側に向かって突出する複数のティース部１７が設けられている。この各ティース部１７には、それぞれ絶縁材であるインシュレータ（不図示）を介してコイル１８が巻装されている。

ロータ１０は、モータケーシング８を軸線方向に突き抜ける回転軸１５に、ステータ９の外周面を覆うように形成された有底筒状のロータヨーク１９がボルト２０によって締結固定されたものである。ロータヨーク１９の周壁１９ａには、内周面側に複数の永久磁石２１が周方向に磁極が交互となるように設けられている。ロータヨーク１９のエンド部（底壁）１９ｂには、径方向略中央に回転軸１５を挿通するための挿通孔２２が形成されている。また、ロータヨーク１９のエンド部（底壁）１９ｂには、挿通孔２２の周囲に複数のボルト孔２３が周方向に等間隔で形成されている。
回転軸１５には、ロータヨーク１９のエンド部１９ｂに対応する部位に円盤状のロータヨーク取付け部２４が形成されている。このロータヨーク取付け部２４には、エンド部１９ｂのボルト孔２３に対応する部位に雌ネジ部２５が刻設されており、ここにボルト２３が螺入されるようになっている。

ハウジング４とは反対側のブラケット１１は、モータケーシング８の開口部に対応するように形成された略円盤状のプレート２６と、このプレート２６の径方向略中央に設けられ回転軸１５を挿通可能な筒部２７とが一体成形されたものである。筒部２７は、ステータ９を固定するためのものであって、プレート２６からステータ９側に向かって立ち上がるように設けてある。

筒部２７には、ステータ９の内周面に対応する部位に段差によって形成された縮径部２７ａが設けられている。ステータ９は、この縮径部２７ａに外嵌されており、縮径部２７ａの基端に形成された段差部２７ｂに当接して固定されることで軸線方向の位置が決定するようになっている。また、筒部２７のプレート２６側には、回転軸１５を回転自在に支持するための軸受け２８が設けられている。この軸受け２８は、筒部２７に設けられた止め輪２９によって、抜け方向への移動が規制されるようになっている。

ブラケット１１から外方（図２における左側）に向かって突出する回転軸１５の一端側には、センサマグネット３０が取付けられている。このセンサマグネット３０は、ロータ１０の回転角度を検出するためのものである。また、ブラケット１１には、外方側に回転軸１５の一端を覆う有底筒状のカバー３１が取付けられている。このカバー３１の周壁３１ａには不図示のホールＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）が設けられている。すなわち、センサマグネット３０は、ホールＩＣ（不図示）と協働してロータ１０の回転角度を検出できるようになっている。尚、この実施形態における電動モータ２のロータ位置検出方法はホールＩＣとセンサマグネットに限るものではなく、光学式エンコーダ、磁気式エンコーダ、レゾルバでもよく、またセンサレスによる駆動でもよい。

ハウジング４側のブラケット１２は、モータケーシング８の開口部に対応するように形成された略円盤状のプレート４０と、このプレート４０の径方向略中央に設けられ回転軸１５を挿通可能な筒部４１とが一体成形されたものである。筒部４１には、回転軸１５を回転自在に支持するための軸受け３２が設けられている。また、プレート４０には、筒部４１の周囲にハウジング４を締結固定するためのボルト孔３３が形成されており、ここにボルト３４が螺入されている。

図２、図４に示すように、ハウジング４には、ウォームギア５の一方を構成するウォームを収容可能な第一収容部３８ａと、ウォームギア５の他方を構成するウォームホイール３７、回転ネジ軸６、及びこの回転ネジ軸６に螺合する出力軸７を収容可能な第二収容部３８ｂとが形成されている。
第一収容部３８ａのブラケット１２に対応する部位には、開口部３９が形成されており、ここにブラケット１２の筒部４１が内嵌されている。開口部３９からハウジング４内に突出する回転軸１５の他端は、第一収容部３８ａに設けられた軸受け３６で回転自在に支持されている。そして、回転軸１５の他端側には、軸受け３６とブラケット１２に設けられた軸受け３２との間にウォーム３５が取付けられている。

第二収容部３８ｂには、電動モータ２の回転軸１５に略直交する方向に向かって延在し、且つ第二収容部３８ｂを軸線方向に貫く回転ネジ軸６が回転自在に支持されている。回転ネジ軸６は、ウォーム３５に噛合されているウォームホイール３７を外嵌固定する軸本体４２を有している。軸本体４２には、この他に一対のスラストベアリング４３ａ，４３ｂとカラー４６とが順番に外嵌されている。スラストベアリング４３ａ，４３ｂは、軌道盤４３ａ１，４３ｂ１に、複数の略円柱状のころ４３ａ２，４３ｂ２を放射状に配設したタイプのものである。
軸本体４２の基端側（図４における左側）は、ハウジング４の第二収容部３８ｂに設けられた軸受け４４で回転自在に支持されている。また、軸本体４２の基端には、ベアリングナット４５が締結固定されている。

一対のスラストベアリング４３ａ，４３ｂの間には、スラストプレート４７が介在されている。つまり、一対のスラストベアリング４３ａ，４３ｂは、スラストプレート４７を挟んで振り分け配置された状態になっている。スラストプレート４７は、各スラストベアリング４３ａ，４３ｂの軸線方向を支持するためのものである。スラストプレート４７は、第二収容部３８ｂの軸線方向平面視形状に対応するように略円盤状に形成されている。スラストプレート４７の径方向略中央には、回転ネジ軸６の軸本体４２を挿通するための挿通孔４８が形成されている。尚、スラストベアリング４３ａ，４３ｂは、ころ４３ａ２，４３ｂ２が軌道盤４３ａ１，４３ｂ１に対してスラストプレート４７側に位置するように配置されている。

スラストプレート４７の周縁には、径方向中央部よりも肉厚を厚くしたボス４９が全周に渡って形成されている。このボス４９には、複数の雌ネジ部５０が周方向に等間隔で刻設されている。
ここで、ボス４９で囲まれる部位は、ボス４９よりも薄肉に形成されているため、ここに凹部４９ａが形成される。そして、この凹部４９ａによりウォームホイール３７側のスラストベアリング４３ａを受け入れることで、回転ネジ軸６の軸線方向の長さを短くすることができるようになっている。

一方、ハウジング４の第二収容部３８ｂには、スラストプレート４７の雌ネジ部５０に対応する部位にボルト孔５１が形成され、ここにボルト５２が螺入されている。すなわち、スラストプレート４７は、ハウジング４の第二収容部３８ｂにボルト５２によって締結固定されている。尚第二収容部３８ｂのスラストベアリング４３ｂに対応する部位には、スラストベアリング４３ｂを受け入れるための凹部７１が形成されている。
この他に、ハウジング４には、ボルト孔５１の周囲に他の部材（不図示）を取付けるための複数の雌ネジ部６９が刻設されている（図１参照）。

図４に示すように、軸本体４２の先端側（図４における右側）には、段差によって拡径された拡径部５３が形成されている。この拡径部５３は、段差部５３ａがウォームホイール３７の一端側に当接するように形成されている。このように、軸本体４２に外嵌されているウォームホイール３７、スラストベアリング４３ａ，４３ｂ、及びカラー４６は、軸本体４２の段差部５３ａとベアリングナット４５によって軸受け４４、及びスラストプレート４７を介して挟持された状態になっている。これによって、回転ネジ軸６は、ハウジング４に軸線方向の移動が規制された状態で回転自在に支持されている。

また、拡径部５３の外周面には、台形雄ネジ部５４が刻設されており、ここに出力軸７が螺合されている。
出力軸７は、被駆動部材５５にスラスト力を付与するためのものであって、略円筒に形成された出力軸本体５６を有している。出力軸本体５６の内側は、回転ネジ軸６を受け入れ可能な大きさを有しており、基端側（図４における左側）に台形雄ネジ部５４に螺合するナット部材５８が内嵌固定されている。このナット部材５８の内周側には、台形雄ネジ部５４に対応する台形雌ネジ部５９が刻設されている。さらに、出力軸７の基端側には、止め輪６７が設けられている。この止め輪６７は、出力軸７の抜け方向（図４における右方向）への移動を規制するためのものである。

一方、出力軸本体５６の先端（図４における右側）には、段差によって縮径された取付け部７０が形成されている。この取付け部７０は、出力軸７に被駆動部材５５を取付けるためのものであって、略円筒状に形成されている。取付け部５７の内周壁側には、雌ネジ部５８が刻設されている。この雌ネジ部５８を利用して出力軸７に被駆動部材５５を締結固定できるようになっている。尚、取付け部７０には、スパナ等の工具を使用する際に用いられる二面取り部５７が形成されている。

出力軸本体５６の外周面には、これを覆うように略円筒状に形成された支持部材６０が設けられている。この支持部材６０は、出力軸７を相対回転不能、且つ軸線方向にスライド可能に支持するためのものである。すなわち、支持部材６０の内周面と、出力軸本体５６の外周面には、それぞれスプライン６１，６２が形成されている。

支持部材６０の基端側（図４における左側）にはフランジ部６５が形成され、このフランジ部６５よりも基端側に段差によって縮径されたインロー部６３が形成されている。
一方、ハウジング４には、第二収容部３８ｂの開口部６８側端面４ａに開口部６８を閉塞するプレート６４が取付けられている。このプレート６４には、支持部材６０のインロー部６３に対応する部位に孔６６が形成されており、ここに、支持部材６０のインロー部６３が内嵌固定されている。

次に、リニアアクチュエータ１の動作について説明する。
まず、図２に示すように、電動モータ２を駆動させ、回転軸１５を正回転、又は逆回転させる。すると、図４に示すように、ウォームギア５を介して回転ネジ軸６が正回転、又は逆回転する。回転ネジ軸６が回転すると、回転ネジ軸６の台形雄ネジ部５４に螺合されている出力軸７が回転ネジ軸６の回転方向に基づいて回転ネジ軸６の軸線方向に沿って往復移動する。このとき、出力軸本体５６の外周面、及び出力軸７を支持する支持部材６０の内周面には、それぞれスプライン６１，６２が形成されているため、出力軸７は軸線回りに回転することなく、スライド移動する。

ここで、出力軸７が支持部材６０から突出する方向（図４における右方向）に移動した場合において説明する。この場合、出力軸７が被駆動部材５５を押圧するため、出力軸７には、図４における左方向に向かって反力Ｆ１が作用する。すると、出力軸７の台形雌ネジ部５９と回転ネジ軸６の台形雄ネジ部５４とによって、回転ネジ軸６が反力Ｆ１と同じ方向に向かって押圧される。そして、回転ネジ軸６に形成されている段差部５３ａによってウォームホイール３７がスラストベアリング４３ａ，４３ｂ側に向かって押圧される。

このとき、ウォームホイール３７側のスラストベアリング４３ａは、ハウジング４の第二収容部３８ｂに取付けられているスラストプレート４７によって軸線方向への移動が規制される。つまり、スラストベアリング４３ａは、スラストプレート４７によって回転ネジ軸６の基端側（図４における左方向）への移動が規制されている。このため、出力軸７が被駆動部材５５を図４における右方向に向かって移動させようとすると、ウォームホイール３７側のスラストベアリング４３ａが反力Ｆ１、つまり、出力軸７、及び回転ネジ軸６のスラスト荷重を受ける。

一方、出力軸７が支持部材６０内に没入する方向に移動した場合について図５に基づいて説明する。
この場合、出力軸７が被駆動部材５５を引っ張る（図５における左方向に移動する）ため、出力軸７には、右方向に向かって反力Ｆ２が作用する。すると、出力軸７の台形雌ネジ部５９と回転ネジ軸６の台形雄ネジ部５４とによって、回転ネジ軸６が反力Ｆ２と同じ方向に向かって引っ張られる。そして、回転ネジ軸６の基端に締結固定されているベアリングナット４５が軸受け４４、及びカラー４６を介してスラストベアリング４３ｂを押圧する。

このとき、軸受け４４側のスラストベアリング４３ｂは、ハウジング４の第二収容部３８ｂに取付けられているスラストプレート４７によって軸線方向への移動が規制される。つまり、スラストベアリング４３ｂは、スラストプレート４７によって回転ネジ軸６の先端側（図５における右方向）への移動が規制されている。このため、出力軸７が被駆動部材５５を図５における左方向に向かって引っ張ろうとすると、軸受け４４側のスラストベアリング４３ｂが反力Ｆ２、つまり、出力軸７、及び回転ネジ軸６のスラスト荷重を受ける。

したがって、上述の実施形態によれば、往復運動する出力軸７のスラスト荷重（反力Ｆ１，Ｆ２）を回転ネジ軸６を介してスラストベアリング４３ａ，４３ｂで受けることができる。しかも、一対のスラストベアリング４３ａ，４３ｂをハウジング４の第二収容部３８ｂに設けられたスラストプレート４７を挟んで振り分け配置しているため、このスラストプレート４７と各スラストベアリング４３ａ，４３ｂで出力軸７の往路、復路の両方向のスラスト荷重を受けることができる。よって、従来のように回転ネジ軸６の軸受け（例えば、ボールベアリング）を大きくしなくても出力軸７のスラスト荷重に十分耐え得る構造とすることができ、十分なスラスト力を得るこができるリニアアクチュエータ１を提供することが可能になる。

また、電動モータ２の回転力をウォーム３５、及びウォームホイール３７を介して回転ネジ軸６に伝達させることで、回転ネジ軸６のトルクを大きくすることができる。このため、出力軸７のスラスト力を更に高めることができ、高出力なリニアアクチュエータ１を実現することが可能になる。

さらに、電動モータ２をステータ９の外周側にロータ１０を配置した所謂アウターロータ型のブラシレスモータとすることで、インナーロータ型の電動モータよりも高出力にすることができる。このため、より小型で高出力なリニアアクチュエータ１を実現することが可能になる。

そして、出力軸７の出力軸本体５６の外周面にスプライン６１を形成する一方、出力軸７を支持するための支持部材６０の内周面にスプライン６２を形成している。このため、支持部材６０と出力軸７は、相対回転不能、且つ軸線方向へ相対移動可能となっている。よって、出力軸７が軸線回りに回るおそれがなく、確実に回転ネジ軸６の回転運動を出力軸７の直線運動へと変換することができるため、より信頼性や性能を向上させることができる。

尚、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
また、上述の実施形態では、電動モータ２がアウターロータ型のブラシレスモータである場合について説明したが、これに限られるものではなく、インナーロータ型であってもよいし、ブラシ付のモータであってもよい。

さらに、上述の実施形態では、出力軸７における出力軸本体５６の外周面にスプライン６１を形成する一方、出力軸７を支持するための支持部材６０の内周面にスプライン６２を形成し、両者を相対回転不能、且つ軸線方向へ移動可能にしている。しかしながら、これに限られるものではなく、出力軸７と支持部材６０とが相対回転不能、且つ軸線方向へ移動可能であればよく、スプライン６１，６２以外の形状であってもよい。

そして、上述の実施形態では、回転ネジ軸６の拡径部５３に台形雄ネジ部５４を形成する一方、出力軸７のナット部材５８に台形雌ネジ部５９を形成し、回転ネジ軸６の回転運動を出力軸７の直線運動へと変換する場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、回転ネジ軸６の回転運動を出力軸７の直線運動へと変換可能な形状であればよく、台形ネジでなくてもよい。

また、上述の実施形態では、出力軸７の出力軸本体５６に、別途ナット部材５８を設けた場合について説明したが、これに限られるものではなく、出力軸本体５６に直接台形雌ネジ部５９等のネジ部を刻設してもよい。
さらに、上述の実施形態では、スラストベアリング４３ａ，４３ｂとして、軌道盤４３ａ１，４３ｂ１に、複数の略円柱状のころ４３ａ２，４３ｂ２を放射状に配設したタイプのものを使用した場合について説明したが、これに限られるものではなく、配置スペースに余裕があれば、ボールを用いた所謂スラスト玉軸受けを使用してもよい。

本発明の実施形態におけるリニアアクチュエータの平面図である。 本発明の実施形態におけるリニアアクチュエータの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態における電動モータの横断面図である。 図２のＡ矢視図である。 本発明の実施形態におけるリニアアクチュエータの動作説明図である。

符号の説明

１ リニアアクチュエータ
２ 電動モータ
４ ハウジング
６ 回転ネジ軸
７ 出力軸
１５ 回転軸
３５ ウォーム
３７ ウォームホイール
４３ａ，４３ｂ スラストベアリング
４７ スラストプレート（プレート）
６１，６２ スプライン

Claims (4)

1. 電動モータと、
   前記電動モータの回転軸にウォーム、及びウォームホイールを介して連係されハウジングに回転自在に支持された回転ネジ軸と、
   前記回転ネジ軸に螺合し、且つ前記回転ネジ軸の正逆回転により相対的に軸線方向に往復移動する出力軸とを備えたリニアアクチュエータであって、
   前記ハウジングに前記回転ネジ軸のスラスト荷重を受けるプレートを設けると共に、該プレートを挟んで一対のスラストベアリングを振り分け配置したことを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記回転軸に前記ウォームを設け、前記回転ネジ軸に前記ウォームホイールを設けたことを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
3. 前記電動モータは、アウターロータ型のブラシレスモータであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
4. 前記ハウジング、及び前記出力軸に、互いを相対回転不能、且つ軸線方向にスライド可能なスプラインをそれぞれ形成したことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載のリニアアクチュエータ。

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