JP2011158084A - 増力電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】電動モータの回転駆動力を直進駆動力に変換して用いる電動アクチュエータにおいて、ワークに到達するまでのストロークは小さな駆動力で進み、ワーク到達後は大きな駆動力に自動的に切り換わる増力電動アクチュエータを提供することを目的とする。
【解決手段】電動モータ１の回転軸１１と電動モータ１の回転をボールねじ機構により直進運動する直進運動体５３との間に複数の歯車で構成された減速歯車機構２と直進中に直進運動体５３の先端ねじ５４がワークＷに当たると高速用クラッチ板３１から低速用クラッチ板３２に自動的に切り換わるクラッチ機構３が配設されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータの回転駆動力を直進運動に変換して用いる電動アクチュエータにおいて直進ストローク途中のワークに到達と同時に作動力を増大させる電動アクチュエータに関するものである。

ワークのカシメ工程、圧入工程においてはワークに到達するまでのストロークは小さな作動力でよく、ワーク到達後大きな作動力が必要とされるが、従来の電動アクチュエータは［特許文献１］の特開平１１−１６８８５３号公報のように電動モータの回転駆動力を送りねじを介して直進運動に変換したり、［特許文献２］の特開２００９−１５６４１６号公報においては電動モータの回転駆動力を歯車機構とボールねじを介して直進運動に変換して直進運動させるため、同じ直進力で全ストローク作動している。

このため、ワークのカシメ工程、圧入工程のようにワーク到達後大きな作動力が必要とされる場合、省エネルギー対応として［特許文献３］の特開２００８−１１６０３２号公報のように流体圧シリンダのピストン推力と増圧シリンダのピストン推力をジョイントする増力型流体圧シリンダが使用された。
特開平１１−１６８８５３号公報 特開２００９−１５６４１６号公報 特開２００８−１１６０３２号公報

しかし、［特許文献３］の特開平２００８−１１６０３２号公報のように流体圧シリンダ使用の場合、エネルギー効率が電動に比べて悪くなると共に、流体が空気圧の場合、圧縮機が必要になり、流体が油圧の場合、油圧ポンプが必要となって、更に、全長が長くなるという問題がある。そこで、電動アクチュエータにおいて、ワークに到達するまでのストロークは小さな作動力で進み、ワーク到達後大きな作動力が発生する電動アクチュエータが要求されている。

本発明は上述の課題を解決するものであり、電動モータの回転駆動力を直進運動に変換して用いる電動アクチュエータであって、直進ストローク途中のワークに到達すると同時に作動力が増大される増力電動アクチュエータを提供することを目的とする。

このために本発明の請求項１の増力電動アクチュエータはアクチュエータ本体の内部にボールねじ軸の回転によりボールねじ軸に噛み合うナットが固定された直進運動体を配設し、ボールねじ軸と電動モータの回転軸との間に歯数の異なる歯車を組み合わせた減速歯車機構を構成し、更に、減速歯車機構とアクチュエータ本体の直進運動体のナットに噛み合ったボールねじ軸との間には直進運動中の直進運動体の先端部がワークに当たると高速用クラッチ板から低速用クラッチ板に自動的に切り換わるクラッチ機構が配設されている。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の増力電動アクチュエータであって、クラッチ機構の構成がボールねじ軸にリンクベースが固定され、リンクベースには複数のジョイントリンクがボールねじ軸心に向かって搖動可能に搖動軸により連結され、更に、引張スプリングがジョイントリンク間に配設されて、引張スプリングの引張力によりジョイントリンクは高速用クラッチ板に摩擦力により連結されている。高速クラッチ板の外側には減速歯車と一体となった低速用クラッチ板が配設されて、直進運動体の先端部に運動方向に対して抵抗負荷が生じたときにジョイントリンクが搖動軸を支点に広がり、高速用クラッチ板を離脱し、低速用クラッチ板に摩擦力により連結されるように構成されている。

請求項３に記載の発明は、請求項１、請求項２記載の増力電動アクチュエータであって、クラッチ機構のジョイントリンクの先端形状がＲ形状となっており、高速用クラッチ板は円筒形状でジョイントリンクとの連結側にはスムースに低速用クラッチ板に切り換えるためのテーパを構成した円錐形状のフランジ部が配設されている。

請求項４に記載の発明は減速歯車機構が大きな増力を得るため、複数の歯車を組み合わせた多段減速機で、低速用クラッチ板と一体となった減速歯車の回転軸が電動モータの回転軸とボールねじ軸と同心に配置されている。

上記のように請求項１の増力電動アクチュエータによれば、電動モータの回転軸とチューブの内部にボールねじ軸の回転により直進する直進運動体を有するアクチュエータ本体のボールねじ軸との間に異なる歯車の組み合わせによる減速歯車機構と高速用クラッチと低速用クラッチを直進運動体がワークに当接と同時に切り換わるクラッチ機構が連結されていることでワーク到達までは高速、低出力で進み、ワーク到達と同時に低速、高出力となり、省エネルギーが可能となる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１の増力電動アクチュエータのクラッチ機構がボールねじ軸に固定されたリンクベースに複数のジョイントリンクがリンクベースの搖動軸を支点にボールねじ軸芯に向かって搖動可能に連結され、ジョイントリンクの他端は各ジョイントリンク間の略中央に取り付けられた引張スプリングにより電動モータの回転軸に連結された連結シャフトと一体となった高速用クラッチ板に摩擦力により連結されているためボールねじ軸の回転により直進する直進運動体の先端部にワークがない場合は高速、低出力で直進でき、直進運動体の先端部にワークが当接すると直進運動体は直進できなくなり、電動モータの回転によりボールねじ軸と固定されたリンクベースが後退し、リンクベースに取り付けられたジョイントリンクは引張スプリングのスプリング力に打ち勝ってジョイントリンクはボールねじの軸芯に対して外側に移動し、高速用クラッチ板を離脱し、自動的に低速用クラッチ板に摩擦力により連結可能となる。

請求項３記載の発明によれば、請請求項２記載の増力電動アクチュエータであって、クラッチ機構のジョイントリンクの先端形状がＲ形状となっているため高速用クラッチ板の円筒形状を傷をつけることなくスムースに連結でき、更に、高速用クラッチ板のジョイントリンクとの連結側にはテーパを構成した円錐形状のフランジ部が配設されているため、直進運動体の先端部にワークが当接したとき、ジョイントリンクのＲ形状部がテーパ部を滑り、スムーズに低速用クラッチ板に切り換えることが可能となる。

請求項４記載の発明によれば、請求項１記載の増力電動アクチュエータであって減速歯車機構が複数の歯車を組み合わせた多段減速機で、低速用クラッチ板と一体となった減速歯車の回転軸が電動モータの回転軸とボールねじのねじ軸と同心に配置されているため、スリムな増力電動アクチュエータが可能となる。

以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の増力電動アクチュエータの高速低出力駆動状態の正面断面図を示し、図２は低速高出力駆動状態の正面断面図を示している。この増力電動アクチュエータのアクチュエータ本体５はエンドカバー５５と中間カバー５６の間にチューブ５７をボルト５８で固定し、アクチュエータ本体５の内部には内側にボールねじのナット５２を嵌挿固定した直進運動体５３がチューブ５７の内部をスライド可能に挿入され、直進運動体５３の左側先端に固定された先端ねじ５４はエンドカバー５５から左方向に突出している。ナット５２の内側にはナット５２のねじに噛み合ったボールねじ軸５１が直進運動体５３の内径部を低い摩擦力で回転および直進できるようにボールねじ軸５１の左側端部にベアリング４４が挿入され、更に、ボールねじ軸５１の右側端部と電動モータ１の回転軸１１との間には歯数の異なる歯車を組み合わせた減速歯車機構２と直進運動体５３の先端ねじ５４がワークＷに当たると高速用クラッチ板３１から低速用クラッチ板３２に切換わるクラッチ機構３が配設されている。

次に、上記構成の増力電動アクチュエータの動作を説明する。電動モータ１への電気の投入を切換えて、回転軸１１を電動モータ１の右側より見て右回転、左回転させることにより、ボールねじ軸５１は減速歯車機構２とクラッチ機構３を介して高速、または低速で電動モータ１と同一方向に回転する。ボールねじ軸５１に噛み合ったナット５２を内側に固定した直進移動体５３は電動モータ１が右回転するとボールねじにより右方向に直進し、電動モータ１が左回転すると左方向に直進し、直動運動体５３と一体となった先端ねじ５４もエンドカバー５５より左方向に突出して直進する。このとき、先端ねじ５４がワークＷに当たるまでは高速用クラッチ板３１が電動モータ１の回転軸１１と連結された第１の歯車２１と共に回転し、ジョイントリンク３４が引張スプリング３３の引張力により高速用クラッチ板３１との間に発生する摩擦力により連結し、高速低出力で直進する。

直進移動体５３と一体となった先端ねじ５４が左方向に直進し、ワークＷに当たると高速低出力のため直進移動体５３は停止するが、電動モータ１は回転し続けるためボールねじ軸５１が後退することとなり、ボールねじ軸５１と一体固定されたリンクベース３５とリンクベース３５に連結されたジョイントリンク３４の搖動軸３６も後退し、ジョイントリンク３４は引張スプリング３３の引張力に打ち勝って高速用クラッチ板３１を離れて低速用クラッチ板３２のジョイントリンク受け部３２ａまで広がり低速用クラッチ板３２と連結する。この時、電動モータ１の回転軸１１に連結された歯数Ｎ１の第１の歯車２１は歯数Ｎ２の第２の歯車２２と噛み合って配設され、更に、第２の歯車２２と歯数Ｎ３の第３の歯車２３は同一の歯車用シャフト２６に固定されているため電動モータ１の回転数Ｎに対して歯車用シャフト２６はＮ×（Ｎ１／Ｎ２）で回転する。更に、第３の歯車２３は低速用クラッチ板３２と一体固定されている歯数Ｎ４の減速歯車２４と噛み合っているため減速歯車２４は伝達シャフト２５の外周部をＮ×（Ｎ１／Ｎ２）×（Ｎ３／Ｎ４）の低速で回転する。更に、減速歯車２４と一体となった低速用クラッチ板３２はジョイントリンク３４によりボールねじ軸５１と連結されているため、ボールねじ軸５１は低速高出力で回転することとなり、ナット５２を内側に一体化した直進移動体５３は低速高出力でワークＷを押すことができる。

次に、低速高出力作業後、電動モータ１を右回転すると、ジョイントリンク３４と低速クラッチ板３２の連結が解除され、引張スプリング３３の引張力によりボールねじ軸５１の軸心方向にジョイントリンク３４が搖動して高速用クラッチ板３１の円筒形状の外形部に連結し、高速低出力で直進移動体５３が右方向に直進する。

次に、第２の実施形態の増力電動アクチュエータを説明する。図３に示すように増力電動アクチュエータのクラッチ機構３のジョイントリンク３４の先端形状がＲ形状となっており、更に、高速用クラッチ板３１が円筒形状で右側端部には図４に示すように、外形に広がる角度θのテーパ面を構成した円錐形状のフランジ部３１ａが形成されている。

次に、上記構成の増力電動アクチュエータの動作を説明する。電動モータ１への電気の投入を切換えて、回転軸１１を電動モータ１の右側より見て左回転すると先端ねじ５４がワークＷに当たるまではジョイントリンク３４が引張スプリング３３の引張力により引っ張られて、ジョイントリンク３４の先端のＲ形状部が高速用クラッチ板３１の円筒部外周に当たり、外周を傷つけることなく摩擦力により連結でき、直進移動体５３は左方向に直進できる。更に、直進移動体５３が直進し、先端ねじ５４がワークＷに当たり停止すると、ボールねじ軸５１が後退し、ジョイントリンク３４は搖動軸３６を支点として、引張スプリング３３の引張力に打ち勝って高速クラッチ板３１の円筒部から右方向に滑り、角度θのテーパ面を構成した円錐形状のフランジ部をスムースに滑りながら広がって高速クラッチ板３１から離れて低速用クラッチ板３２の凹形状のジョイント受け部３２ａまで広がり、図２に示すようにジョイントリンク３４の先端Ｒ部が摩擦力により連結できる。

次に、第３の実施形態の増力電動アクチュエータを説明する。図１、図２、図３に示すように増力電動アクチュエータの減速歯車機構２の複数の歯数を持った歯車が組み合わされた多段減速機で、低速用クラッチ板３２と減速歯車２４とが一体となった回転中心軸が電動モータ１の回転軸１１とボールねじ軸５１と同心に配設されている。

次に、上記構成の増力電動アクチュエータの動作を説明する。電動モータ１の回転軸１１に第１の歯車２１が固定され、第２の歯車２２は第１の歯車２１に噛み合って、歯車用シャフト２６に固定され、更に、歯車用シャフト２６には第２の歯車２２の左側に第３の歯車２３が固定されている。第３の歯車２３には第１の歯車２１と同心に連結された伝達シャフト２５の外周を低速用クラッチ板３２と固定された減速歯車２４が回転自在に配設されているため、高速低出力時には電動モータ１の回転軸１１と高速用クラッチ板３１とボールねじ軸５１が同心となり、低速高出力時も電動モータ１の回転軸１１と低速用クラッチ板３２とボールねじ軸５１が同心となるためスリムな増力電動アクチュエータが達成できる。

本発明の実施例としては電動モータ［回転数Ｎ：３，３００ｒｐｍ、トルクＴ：４５０Ｎ・ｍｍ］を使用し、第１の歯車［歯数Ｎ_１：１２、基準ピッチ：Φ２４］、第２の歯車［歯数Ｎ_２：３８、基準ピッチ：Φ７６］、第３の歯車［歯数Ｎ_３：１５、基準ピッチ：Φ３０］、減速歯車［歯数Ｎ_４：３５、基準ピッチ：Φ７０］、ボールねじ［リードＬ：５ｍｍ］を採用し、モータ駆動することにより、高速低出力時と低速高出力時の直進駆動体の速度（Ｖ）と推力（Ｆ）は減速比Ｇとした時、理論値Ｖ＝（Ｌ×Ｎ／６０）×Ｇ（ｍｍ／ｓ）、Ｆ＝（２π×Ｔ／Ｌ）／Ｇ（Ｎ）となり、
高速低出力時：Ｇ＝１より
Ｖ＝（５×３３００／６０）×１＝２７５（ｍｍ／ｓ）
Ｆ＝（２π×４５０／５）／１＝５６５（Ｎ）
低速高出力時：Ｇ＝（Ｎ_１／Ｎ_２）×（Ｎ_３／Ｎ_４）＝（１２／３８）×（１５／３５）＝１８０／１３３０より
Ｖ＝（５×３３００／６０）×（１８０／１３３０）＝３７（ｍｍ／ｓ）
Ｆ＝（２π×４５０／５）／（１８０／１３３０）＝４１７５（Ｎ）
実験の結果、理論値とほぼ近似した値が得られた。
更に、直進移動体の先端にある先端ねじへのワークによる抵抗力時の高速用クラッチ板から低速用クラッチ板への切換えに対しては、高速用クラッチ板のテーパ面角度（θ）が０°と１５°で実験したところθ＝０°では抵抗力約２，４００（Ｎ）と高いがθ＝１５°では抵抗力約４３０（Ｎ）と大幅に改善され、高速用クラッチ板から低速用クラッチ板への切換えがスムーズにできた。

本発明の第１実施形態を示す増力電動アクチュエータの高速低出力駆動状態の正面断面図 本発明の第１実施形態を示す増力電動アクチュエータの低速高出力駆動状態の正面断面図 本発明の第２実施形態を示す増力電動アクチュエータの高速低出力駆動状態から低速高出力状態に切換る途中の正面断面図 本発明の高速用クラッチ板の正面断面図

１−電動モータ
２−減速歯車機構
３−クラッチ機構
５−アクチュエータ本体
１１−回転軸
２１−第１の歯車
２２−第２の歯車
２３−第３の歯車
２４−減速歯車
２５−伝達シャフト
２６−歯車用シャフト
３１−高速用クラッチ板
３１ａ−フランジ部
３２−低速用クラッチ板
３２ａ−ジョイントリンク受け部
３３−引張スプリング
３４−ジョイントリンク
３４ａ−Ｒ形状部
３５−リンクベース
３６−搖動軸
４１，４２，４３，４４−ベアリング
５１−ボールねじ軸
５２−ナット
５３−直進運動体
５４−先端ねじ
５５−エンドカバー
５６−中間カバー
５７−チューブ
５８−ボルト

Claims (4)

1. 電動モータの回転運動をボールねじにより直進運動に変換するアクチュエータ本体と、該電動モータの回転軸と該ボールねじのボールねじ軸との間に、減速歯車機構を構成し、直進運動体の先端部に運動方向に対する抵抗負荷が生じたとき、自動的に高速用クラッチ板から低速用クラッチ板に切り換わるクラッチ機構を備えたことを特徴とする増力電動アクチュエータ。
2. クラッチ機構が複数のジョイントリンクの一端がボールねじ軸の軸芯方向に搖動可能に連結され、該ジョイントリンク間は引張スプリングによりボールねじ軸の軸芯方向に引き合い、電動モータの回転軸と連結された高速用クラッチ板に摩擦力により連結するように配設され、直進運動体の運動先端部に運動方向に対する抵抗負荷が生じたとき、該ジョイントリンクが該ボールねじ軸に連結されている搖動軸を支点に広がり、高速用クラッチ板を離脱し、減速歯車と一体となった低速用クラッチ板に摩擦力により連結することを特徴とする請求項１に記載の増力電動アクチュエータ。
3. クラッチ機構のジョイントリンクの先端形状がＲ形状で、高速用クラッチ板は円筒形状で、該ジョイントリンクとの連結側に円錐形状となるテーパ面のフランジ部を有することを特徴とする請求項２に記載の増力電動アクチュエータ。
4. 減速歯車機構が複数の歯車を組み合わせた多段減速機構で低速用クラッチ板と一体となった減速歯車の回転軸が電動モータの回転軸と同心軸としたことを特徴とする請求項１に記載の増力電動アクチュエータ。

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