JP2012019661A - リニアアクチュエータ及び鉄道車両用の揺動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 バックドライブフォースが小さく摩耗粉等による固渋が発生しにくいコンパクトなリニアアクチュエータ、及びそれを有する鉄道車両用の揺動制御装置を提供する。
【解決手段】 リニアアクチュエータは、開口端部と閉塞端部を有する中空構造の本体と、本体内の閉塞端部側に固定され、開口端部側に開口端を有するシリンダと、一方の端部が該本体の開口端部から延出し他方の端部の外周部にウエアリングを有し軸方向に摺動可能にシリンダ内に収容された、直動ロッドと、回転可能に本体内に支持された中空シャフトと、を有し、中空シャフトは外周面の一部に永久磁石を有し、本体の内表面の一部に有する巻線部と永久磁石は中空モータを構成し、中空シャフトに同軸で固定されたナット部と直動ロッドの外周面のねじ部は係合し回転直動変換機構を構成し、ナット部の軸方向の両側において中空シャフトと本体との間をシールする回転オイルシール部を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リニアアクチュエータ、特に、鉄道車両等の車両に装着され、電磁力によって車両の振動や揺動を制振する中空モータを使用したリニアアクチュエータ、及び、該リニアアクチュエータを有する鉄道車両用の揺動制御装置に関する。

鉄道車両等の車両の走行中に発生する振動や揺動を抑制するために、リニアアクチュエータが使用されている。車両の進行方向に対して横方向の振動、揺動を抑制することは、乗客の乗り心地を快適にし、安全な走行条件を維持するために重要な役割を果たす。近年、特に、高速走行時における空力特性の影響による揺動や振動を、アクティブ制御で抑制し車両姿勢を安定維持させる研究が進められている。また、一般に、鉄道車両の揺動防止のために使用されるリニアアクチュエータは、頻繁な交換等のメンテナンスが実行しにくい過酷な条件下で使用されるにも関わらず、設置される使用環境の温度変化は大きい（例えば−２０℃〜６０℃）という過酷な温度条件で使用されるため、リニアアクチュエータの機能を安定して維持することが要求される。

特許文献１は、車体の横方向動揺に抗する力を生じさせる車両用気体圧サーボシリンダを開示している。特許文献１の構成によると、車両は台車上に空気ばねを介して搭載され、車両の下部に設置されたセンタリングピンと台車との間に車両用空気圧サーボシリンダが水平方向に設置され、空気圧発生部が車両用空気圧サーボシリンダの外部に設置され、サーボシリンダの駆動源として圧縮空気を供給していることが記載されている。

特許文献２が開示する車体の振動を抑制する鉄道車両用制御装置は、電動アクチュエータを車体と台車の間に設置し、電動アクチュエータによる駆動力を制御することにより、アクチュエータ及びダンパとしての機能を持たせている。電動アクチュエータとしては、モータの回転をボールねじやローラねじ等を用いて直線運動に変換する機構を有し、この変換部の摩擦等の抵抗でダンパの減衰力と同じ役割を担わせていることが記載されている。

特開２００５−７５２７８号公報 特開２００９−１０１９６１号公報

引用文献１に係る車両用気体圧サーボシリンダは、車両用気体圧サーボシリンダの本体以外の場所に、気体圧発生部を有し、また、車両用気体圧サーボシリンダ本体と気体圧発生部との間には、配管を配設することが必要であり、全体としてコンパクトな装置を実現することはできない。

また、引用文献２に係る鉄道車両用制御装置は、ボールねじ１１ａ或いはローラねじ１１ａ等による直動生成機構とモータ１２が、該鉄道車両用制御装置の直動方向に直列して配置されているため、装置のコンパクト化を実現することはできないという課題を有する。この構成は、図１１に例示することができるように、駆動部（モータ）と回転／直動変換部がシリンダストロークの伸長方向に直列に配置されている。このため、リニアアクチュエータのストローク方向の大きさを短縮することは困難である。

本発明は、リニアアクチュエータ本体以外に圧力発生装置のような外部装置を必要とせず、また、圧力流体での制御装置の場合に必要な駆動源である加圧流体の配管の設置を必要としない、コンパクトなリニアアクチュエータであって、必要なときに、所望の駆動力または所望の減衰力を与えるリニアアクチュエータとしての機能を提供し、また、リニアアクチュエータとして機能させる必要のないときには、外力に対して大きな負荷(バックドライブフォース)を与えることなく、容易に従動することができるリニアアクチュエータを提供することを目的とする。また、頻繁な交換等のメンテナンスが実行しにくく、設置される使用環境での温度変化が大きい（−２０℃〜６０℃）という過酷な使用条件下でも、低温での潤滑油の粘性増大によるバックドライブフォースの増大の影響を排除し、バックドライブフォースが低い状態で安定して機能するリニアアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明のリニアアクチュエータは、開口端部と閉塞端部を有する中空構造の本体と、該本体内の閉塞端部側に固定され、開口端部側に開口端を有する円筒シリンダと、一方の端部は該本体の該開口端部から延出し、他方の端部は外周部にウエアリングを有し、該ウエアリングは軸方向に摺動可能に該円筒シリンダ内に収容され、該開口端部側の外周に該開口端部の直動オイルシールを介して軸方向に摺動可能な摺動部を有し、該直動オイルシールと該摺動部は該本体の内部を密閉する、直動ロッドと、該直動ロッドの軸を中心として回転可能に該本体内に支持された回転中空シャフトと、を有し、
該回転中空シャフトは外周面の一部に永久磁石を有し、該本体はその内表面の該永久磁石と対面する位置にステータ巻線部を有し、該永久磁石と該ステータ巻線部は中空モータを構成し、該回転中空シャフトは同軸で固定されたナット部を有し、該直動ロッドは該摺動部と該ウエアリングの間の外周面に該ナット部と係合するねじ部を有し、該ナット部と該ねじ部は係合して回転中空シャフトが回転することにより該直動ロッドが軸方向に直動する回転直動変換機構を構成し、該ナット部の該直動ロッドの軸方向における両側において、該回転中空シャフトと該本体に固定された部材との間をシールする２箇所の回転オイルシール部を有し、該回転オイルシール部は、該直動ロッドが直動する該本体内の領域であって潤滑油と気体の混在する第１密閉領域を、該中空モータが配置された第２密閉領域から分離して画定するとともに、該直動オイルシール部と協働して該第１密閉領域を密封する、ことを特徴とする。

本発明に係る鉄道車両用の揺動制御装置は、鉄道車両の台車と車体の間に設置された前記リニアアクチュエータと、車体の揺動を抑制するようにリニアアクチュエータの駆動をアクティブに制御する制御装置とを有する、ことを特徴とする。

リニアアクチュエータ本体以外に圧力発生装置のような外部装置を必要とせず、また、圧力流体での制御装置の場合にあるような駆動源である加圧流体の配管の設置を必要としない、コンパクトなリニアアクチュエータを実現し、必要なときに所望の駆動力を与えるアクチュエータとして、または所望の減衰力を与えるリニアアクチュエータとしての機能を提供し、また、リニアアクチュエータとして機能させる必要のないときには、外力に対して大きな抗力を与えることなく、容易に従動することができる。また、温度等の使用環境に依らず安定してリニアアクチュエータとして機能することができる。

実施例１に係るリニアアクチュエータの最小ストローク時の断面図。 実施例１に係るリニアアクチュエータの最大ストローク時の断面図。 図１のIII−IIIから見た実施例１に係るリニアアクチュエータの遊星ローラねじのナット部の拡大部分断面図。 図１のIV−IVから見た実施例１に係るリニアアクチュエータのウエアリングホルダ部の拡大部分断面図。 実施例１に係るリニアアクチュエータの組み立て断面図（１）。 実施例１に係るリニアアクチュエータの組み立て断面図（２）。 実施例１に係るリニアアクチュエータの組み立て断面図（３）。 実施例１に係るリニアアクチュエータの組み立て断面図（４）。 実施例１に係るリニアアクチュエータの組み立て断面図（５）。 実施例１に係るリニアアクチュエータの組み立て断面図（６）。 実施例１に係るリニアアクチュエータの組み立て断面図（７）。 実施例１に係るリニアアクチュエータの組み立て断面図（８）。 実施例１に係るリニアアクチュエータの組み立て断面図（９）。 実施例２に係るリニアアクチュエータの最小ストローク時の断面図。 実施例２に係るリニアアクチュエータの最大ストローク時の断面図。 実施例１の変形形態に係るリニアアクチュエータの最大ストローク時の断面図。 実施例３に係るリニアアクチュエータの最大ストローク時の断面図。 実施例１乃至３のリニアアクチュエータを適用した鉄道車両用の揺動制御装置の概略構成図。 （ａ）最小ストローク時、及び（ｂ）最大ストローク時の従来のリニアアクチュエータの断面図。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明に係る流体弁駆動機構を説明する。

実施例１に係るリニアアクチュエータの断面図であって、最小ストロークの場合を図１に、最大ストロークの場合を図２に示す。図１及び２の断面図を参照しながら、本実施例のリニアアクチュエータの構成を説明する。

本発明のリニアアクチュエータは、開口端部及び閉塞端部を有する中空構造の本体を有する。図１及び２に示すように、本体は、直動軸受け部ケーシング１２ａと、回転直動変換部ケーシング１２ｂと、モータ部ケーシング１２ｃと、モータ部後部ケーシング１２ｄと、円筒シリンダ１２ｅと、シリンダ後端部ケーシング１２ｆとから構成される。

本発明のリニアアクチュエータは、本体内の閉塞端部側に固定され開口端部側に開口端を有する円筒シリンダ２３と、直動ロッド２を有する。

直動ロッド２は、一方の端部が本体の開口部（直動軸受け部ケーシング１２ａ）から本体外へ延出し、開口端部側の外周面に本体の開口部の直動オイルシール３を介して直動ロッド２の軸方向に摺動可能な摺動部６ａを有する。直動オイルシール３と摺動部６ａによって、本体の内部は密封されている。直動ロッド２は、直動軸受け部ケーシング１２ａの直動軸受け４により軸方向に直動可能に支持されている。直動ロッド２は、他方の端部の外周部にウエアリングホルダ２２ａを介してウエアリング２２を有し、直動ロッド２の他方の端部は、ウエアリング２２が軸方向に摺動可能な状態で、円筒シリンダ２３に収容されている。

さらに、本発明のリニアアクチュエータは、本体内に備えられた回転支持部であるアンギュラベアリング９によって、直動ロッド２と同軸に回転可能に本体内に支持された回転中空シャフト１０を有する。アンギュラベアリング９は、ベアリング固定ナット８により回転中空シャフト１０に固定される。

回転中空シャフト１０は、外周面の一部にロータ永久磁石２０を備える。一方、本体の一部であるモータ部ケーシング１２ｃの内表面には、回転中空シャフト１０のロータ永久磁石２０と対面する位置にステータ巻線部１１を有する。ロータ永久磁石２０とステータ巻線部１１は中空モータを構成する。１３ａ、１３ｂはそれぞれ、ＶＲ型レゾルバ（可変リラクタンス型レゾルバ）のステータ部、ロータ部であり、ロータとしての回転中空シャフトの回転角を検出し、不図示の制御装置に出力し、モータの駆動制御に使用される。

回転中空シャフト１０は、内周面の一部に遊星ローラねじのナット部１７を備える。該ナット部１７は、ナット固定リング７によって回転中空シャフト１０に対して回転中空シャフト１０と同軸に固定される。一方、直動ロッド２は、摺動部６ａとウエアリング２２の間の外周面に、遊星ローラねじのナット部１７と係合する係合部である遊星ローラねじのねじ部６ｂを有する。該ナット部１７と該ねじ部６ｂは互いに係合して、回転直動変換機構である遊星ローラねじを構成する。回転中空シャフト１０が回転することにより遊星ローラねじを介して直動ロッド２は軸方向に直動する。本実施例においては、遊星ローラねじによって回転直動変換機構を実現しているが、本発明はこれに限定されることはなく、ボールねじ等、他の回転運動を直動運動に変換する機能を有する機構を使用してもよい。

図３に、図１のIII−IIIから見た本実施例のリニアアクチュエータの遊星ローラねじのナット部１７の拡大部分断面図を示す。回転中空シャフト１０の内面に固定された該ナット部１７は、複数のローラ１７ａを有し、ねじ部６ｂのねじ溝６ｃと係合する。また、ナット部１７は、軸方向に貫通する複数の貫通孔１７ｂを備え、潤滑油がナット部１７の貫通孔１７ｂを経由して軸方向に移動しやすい構成を提供している。

図４に、図１のIV−IVから見た実施例１に係るリニアアクチュエータのウエアリングホルダ２２ｂの部分を拡大した部分断面図を示す。ウエアリング２２を支持するウエアリングホルダ２２ａは、その外周に凹部を有し、該凹部によりウエアリング２２を支持する。また、ウエアリングホルダ２２ａは、軸方向に貫通するウエアリングホルダ貫通孔２２ｂを有し、ウエアリングホルダ貫通孔２２ｂによって、ウエアリングホルダ２２ａは軸方向に流体連通している。

遊星ローラねじのナット部１７の軸方向における両側において、本体に対して固定された部材である第１の円筒シャフト１５及び第２の円筒シャフト１９と回転中空シャフト１０との間をシールする、第１のオイルシール１６及び第２のオイルシール１８を有する。第１及び第２の円筒シャフト１５，１９と第１及び第２のオイルシール１６，１８は、それぞれ協働して、第１の回転オイルシール部及び第２の回転オイルシール部を形成する。第１の回転オイルシール部１５、１６及び第２の回転オイルシール部１８、１９は、直動ロッド２が直動する本体内の空間であって潤滑油と気体が混在する第１密閉領域５を、中空モータ１１，２０及び回転支持部であるアンギュラベアリング９が配置された第２密閉領域２１から分離して画定する。さらに、直動オイルシール３と協働して第１密閉領域５を密封する。第１及び第２の円筒シャフト１５、１９の外周面は、その面上を第１及び第２のオイルシール１６，１８が摺動するので、耐摩耗性を持たせるために硬質クロムメッキ等を施すことが望ましい。第１及び第２のオイルシール１６，１８は、ゴム等の材料から構成される。

本発明に係るリニアアクチュエータは、ステータ巻線部１１とロータ永久磁石２０からなる中空モータを駆動源とするため、従来例として示した例のように駆動部と回転／直動変換部がシリンダストロークの伸長方向に直列に配置されることがない。このため、本発明のリニアアクチュエータは、シリンダのストローク方向にコンパクト化することができる。

図１に示した最小ストローク時、及び図２に示した最大ストローク時における本実施例のリニアアクチュエータの断面図を参照しながら、本リニアアクチュエータの動作と機能について説明する。

図１に示した最小ストロークの状態において、不図示の制御装置により中空モータが所定の回転方向に駆動され、ロータ永久磁石２０がステータ巻線部１１に対して回転すると、それに伴い、回転中空シャフト１０、及び回転中空シャフト１０に固定されている遊星ローラねじのナット部１７が回転する。ナット部１７が回転すると、それと係合しているねじ部６ｂによって、直動ロッド２は軸方向に直動する。ここで、直動ロッド２の端部に固定されている第１の球面軸受け１及び本体のシリンダ後端部ケーシング１２ｆに固定されている第２の球面軸受け１４は、本リニアアクチュエータで制御しようとする部材、例えば、列車の車両と台車、に接続され、直動ロッド２の軸を中心とした回転方向の動きは拘束されている。したがって、遊星ローラねじのナット部１７の回転は、それと係合している遊星ローラねじのねじ部６ｂによって、直動ロッド２の軸方向の直動運動に変換される。

直動ロッド２が軸方向に直動するとき、円筒シリンダ２３内に収容されている直動ロッド２の端部の外周のウエアリング２２は、円筒シリンダ２３の内周面と摺動しながら、円筒シリンダ２３内を直動する。本リニアアクチュエータ自体が振動を受けた時のモーメントや、重力に対する設置角度に依存する自重によるモーメントは、直動軸受け部ケーシング１２ａの直動軸受け４と直動ロッド４の摺動部６ａ、遊星ローラねじのナット部１７と直動ロッド２の遊星ローラねじのねじ部６ｂ、及び、直動ロッド２のウエアリング２２と円筒シリンダ２３の内周面とで受ける。本発明にかかるリニアアクチュエータにおいては、ステータ巻線部１１とロータ永久磁石２０からなる中空モータ部を、軸方向の中心に対して本体内の第２の端部側（第２の球面軸受け側）に配置しているため、加えられた振動等により発生する慣性モーメントを小さく抑えることができる。これにより、リニアアクチュエータの設計耐荷重を小さくすることができるという効果を有する。

直動ロッド２が直動軸受け部ケーシング１２ａから延出し、図１のストローク最小の状態から図２のストローク最大の状態に変化することにより、第１密閉領域５の容積は増大する。また、第１密閉領域５は、第１と第２の回転オイルシール部１５、１６、１８、１９と直動オイルシール部３とによって密封されているため、この容積の増大により、第１密閉領域５内の圧力は低下する。遊星ローラねじのねじ部６ｂとナット部１７、ウエアリング２２と円筒シリンダ２３の内面との摺動部、及び、直動軸受け部ケーシング１２ａの直動軸受け４と直動ロッド２の摺動部６ａとの間の潤滑のために、第１密閉領域５内には潤滑油が封入されている。密閉空間である第１密閉領域５への直動ロッド２の出入りを可能とするため、第１密閉領域５内に潤滑油とともに気体を封入し、第１密閉領域５内の圧力の変動をバッファしている。本発明のリニアアクチュエータは、直動ロッド２の軸方向が略水平になるように設置して使用されるため、第１密閉領域５の一部である円筒シリンダ２３内にも潤滑油と気体が存在する。直動ロッド２が直動するときには、ウエアリング２２は円筒シリンダ２３の内面に対して摺動しながら移動し、円筒シリンダ２３内の軸方向におけるウエアリング２２の移動時における圧力差に応じて、潤滑油及び気体は、ウエアリングホルダ２２ａを軸方向に貫通しているウエアリングホルダ貫通孔２２ｂを介して、円筒シリンダ２３内の軸方向に移動する。

円筒シリンダ２３内面は、硬質クロムメッキ等により耐摩耗性の向上が図られている。また、円筒シリンダ２３内面の損耗が進行した場合には、シリンダ後端部ケーシング１２ｆ（円筒シリンダ２３）のみを交換することにより、直動ロッド２のウエアリング２２と円筒シリンダ２３内面との良好な摺動特性を簡易な部品交換によって維持することができるという効果を有する。

鉄道車両の揺動防止に本発明のリニアアクチュエータを用いる場合、特に高速走行時の空力特性のために必要となるアクティブ制御がある。例えば、低速走行では発生しないが、高速走行におけるトンネル進入時の瞬時的な車両の横揺れ、或いは、高速走行時のカルマン渦の影響による列車編成の最終車両における横揺れ等がある。これらの揺動を抑制するため、所定の走行速度以下など、所定の条件以外ではアクティブ制御は不要である場合があり、リニアアクチュエータの電源を切った状態で、できるだけ外力に対し負荷(バックドライブフォース)を与えることなく従動させたいというニーズがある。

本発明の構成においては、第１及び第２の回転オイルシール部の摺動部は、直動ロッド２の係合部の径の１．５倍以下の径、さらに好ましくは、１．３倍以下の径とすることにより、さらに好ましくは、１．１５倍以下の径とすることにより、第１及び第２の回転オイルシール部での摺動断面積を小さくし、外力に対し小さな負荷で従動させることができる。このシール部の摺動部分の径が、直動ロッド２の係合部の系に対して大きすぎる場合は、シール部の摺動長（摺動断面積）が増大し、外力に従動させる場合の負荷が大きくなり好ましくない。逆に、第１及び第２の回転オイルシール部の摺動部の径を小さくしすぎると、シール部の摺動長（摺動断面積）に起因する外力に対する負荷は小さくすることができるが、第１及び第２の円筒シャフト１５，１９の内面と直動ロッド２（遊星ローラねじのねじ部６ｂ）の外面の間隔が狭くなるため、直動ロッド２のストロークが変化して第１密閉領域５内の圧力が変動する時に、この隙間を介して移動する潤滑油の流体抵抗が増大し、アクチュエータの駆動抵抗を増加させ、バックドライブフォースを増大させるので好ましくない。

また、本発明のリニアアクチュエータにおいては、摩耗粉等が発生しやすい遊星ローラねじのねじ部６ｂ，ナット部１７、直動軸受け４は、オイルで潤滑し、摩耗粉等が発生した場合でも、オイルの粘性が低いため、摩耗粉が発生した場所に摩耗粉を局所的に偏在させることなく分散させることができるため、軸受け部の固渋等の危険を回避することができる。

一方、第１及び第２の回転オイルシール部（１５，１６，１８，１９）で密封された第２密閉領域２１（２１ａ，２１ｂ）内に備えられた回転支持部であるアンギュラベアリング９は、低粘度グリスで潤滑する。リニアアクチュエータの電源がＯＦＦの時に、外力に対し小さな負荷で従動させるためには、アンギュラベアリング９もオイルで潤滑することが好ましいが、第２密閉領域２１内には、モータ部（ステータ巻線部１１、ロータ永久磁石２０）があるため、アンギュラベアリング９で発生した摩耗粉等の鉄粉が流動してモータ部に移動してしまう危険性をできるだけ排除するために、低粘度グリスを使用する。アンギュラベアリング９とモータ部の間には、非接触ラビリンスシール２７を設け、低粘度グリスで封止し、ロータ永久磁石２０とステータ巻線部１１とＶＲレゾルバ１３ａ，１３ｂを含むモータ領域２１ｂと、アンギュラベアリング９を含むベアリング領域２１ａを分離し、アンギュラベアリング９で発生した摩耗粉等の鉄粉がモータ領域２１ｂへ侵入する危険性を排除している。また、この非接触ラビリンスシール２７は、回転中空シャフト１０に対して、回転軸から半径方向の外側に設置されるため、シール部分の周長は長いが、非接触のシールであるため、外力に対し小さな負荷で従動できる。

本発明のリニアアクチュエータにおいては、直動ロッド２が移動する第１密閉領域５は、第１と第２の回転オイルシール部１５、１６、１８、１９と直動オイルシール部３とによって密封されているため、直動ロッド２のストローク変位に起因する第１密閉領域５内の圧力変動によって、外気を第１密閉領域５内に流出入させることがない（エアブリーザ機能を有さない）。このため、−２０度のような低温の条件下で使用し続けても、空気中の水分の凝固等の現象に起因する摺動機能の低下を招くことはなく、良好な摺動状態を維持することができるという効果を有する。また、本発明のリニアアクチュエータ本体は外気に対して密封されているため、空気中の水分・埃塵等が本体内へ侵入することを防止でき、安定した機能を維持することができる。ストローク変化によって本体の先端部である直動軸受け部ケーシング１２ａから突出したときに、直動ロッド２の摺動部６ａが周囲の環境に曝され水分やダスト等が摺動部６ａの外表面に付着することを防止するため、直動軸受け部ケーシング１２ａと第１の球面軸受け１の間には、不図示の蛇腹等のカバーを設け、粉塵等が摺動部６ａの外表面に付着することを未然防止することが好ましい。

なお、第１密閉領域５内の気体は、空気或いは窒素等の不活性ガスを使用することができる。

第１密閉領域５は密閉空間であるので、気体が占める容積と圧力の積は一定である。したがって、第１密閉領域５内の気体が占める容積がＶ１からＶ２に変化し、圧力がＰ１からＰ２に変化した場合、容積変化後の圧力Ｐ２は、
Ｐ２＝Ｐ１×（Ｖ１／Ｖ２）
＝Ｐ１×（Ｖ１／（Ｖ１±ΔＶ）） （１）
で表すことができる。ここで、ΔＶは気体が占める容積のＶ１からＶ２への変化量（Ｖ２−Ｖ１）であり、直動ロッド２が直動軸受け部ケーシング１２ａに対して出入りする体積に相当する量である。言い換えると、直動ロッド２の摺動部６ａの断面積と最大ストローク長の積で表される体積である。この関係により、直動ロッド２の最大ストローク時と最小ストローク時の第１密閉領域５内の圧力差を考慮して、オイルシール部の耐圧条件を満足するように装置を設計することができる。一般的なオイルシールにおいて推奨される許容差圧条件は０．３気圧程度である。したがって、第１密閉領域５内及び第２密閉領域２１内の圧力の初期条件を大気圧とした場合、
Ｖ／（Ｖ−Ａ×Ｌ）＜１．３ （２）
の条件を満たすように、第１密閉領域５の容積と潤滑油の量から決まる最大ストローク時の気体の容積Ｖ、直動ロッド２の軸方向に垂直な平面内での断面積Ａとストローク長さＬを考慮して設計することができる。これにより、第１密閉領域５内の密閉性を維持するとともに、オイルシールの機能を損なうことなく安定した機能を維持できるリニアアクチュエータを提供できる。

（本実施例のリニアアクチュエータの組み立て方法）
以下、図５Ａ乃至５Ｉを参照しながら、本実施例に係るリニアアクチュエータの組み立て方法の一例を説明する。

最初に、アンギュラベアリング９の内輪をベアリング固定ナット８で回転中空シャフト１０に固定し、回転中空シャフト１０には、ロータ永久磁石２０、第２のオイルシール１８が装着される。また、ナット固定リング７により、遊星ローラねじのナット部１７が回転中空シャフト１０の内周面に固定される。また、第１のオイルシール１６が、ナット固定リング７に対して固定される（図５Ａ参照）。本体の一部を構成する回転直動変換部ケーシング１２ｂには、第１の円筒シャフト１５が設置される（図５Ａ参照）。

次に、第１の円筒シャフト１５の外周面に第１のオイルシール１６を摺動させながら、アンギュラベアリング９を介して回転中空シャフト１０を回転直動変換部ケーシング１２ｂに挿入し、アンギュラベアリング押え板２８によって、アンギュラベアリング９の外輪を回転直動変換部ケーシング１２ｂに固定する。また、非接触ラビリンスシール２７をアンギュラベアリング押え板２８と回転中空シャフト１０の間に設置する（図５Ｂ）。

中空モータのステータ巻線１１、ＶＲレゾルバ（ステータ側）１３ａが固定されたモータ部ケーシング１２ｃを回転直動変換部ケーシング１２ｂへ連結する（図５Ｃ）。次に、ＶＲレゾルバ(ロータ側)１３ｂを回転中空シャフト１０に固定した後、モータ部後部ケーシング１２ｄをモータ部ケーシング１２ｃの端部に固定する（図５Ｄ）。

直動ロッド２と遊星ローラねじのねじ部６ｂとを連結し、回転直動変換部ケーシング１２ｂの開口部側から、遊星ローラねじのねじ部６ｂのねじ溝６ｃをナット部１７と係合させながら挿入する（図５Ｅ）。

次に、予め第２の円筒シャフト１９を端部に固定した円筒シリンダ２３を、モータ部後部ケーシング１２ｄの中央の開口部から挿入し、第２の円筒シャフト１９を第２のオイルシール１８に対して摺動させながら第２のオイルシール１８に挿入し、円筒シリンダ２３をモータ部後部ケーシング１２ｄに固定する（図５Ｆ）。

次に、直動ロッド２と遊星ローラねじのねじ部６ｂを円筒シリンダ２３の端部側に移動させ、ウエアリング２２を外周の凹部に装着したウエアリングホルダ２２ａを直動ロッド２の遊星ローラねじのねじ部６ｂ側の端部に装着し、ウエアリングホルダ固定ナット２２ｃにより、直動ロッド２の遊星ローラねじのねじ部６ｂ側の端部に固定する（図５Ｇ）。

次に、直動ロッド２の摺動部６ａと、直動オイルシール３及び直動軸受け４が固定された直動軸受け部ケーシング１２ａを摺動させながら、直動ロッド２の摺動部６ａを直動軸受け部ケーシング１２ａに挿入するように、直動軸受け部ケーシング１２ａを装着し、回転直動変換部ケーシング１２ｂに対して固定する（図５Ｈ）。

最後に、第１の球面軸受け１を直動ロッド２の先端部に固定し、シリンダ後端部ケーシング１２ｆを円筒シリンダ２３の端部に固定し、第２の球面軸受け１４をシリンダ後端部ケーシング１２ｆに固定する（図５Ｉ）。

また、潤滑油は、回転直動変換部ケーシング１２ｂ等に構成された不図示の密閉閉鎖可能なオイル注入口から必要量を注入することができる。

以上説明したように、本実施例の構成により、リニアアクチュエータ本体以外に圧力発生装置のような外部装置を必要とせず、また、圧力流体での制御装置の場合に必要である加圧流体の配管を必要とせず、中空モータを使用することによりコンパクトなリニアアクチュエータを実現することができる。また、必要なときに所望の駆動力を与えるアクチュエータとして、または所望の減衰力を与えるリニアアクチュエータとしての機能を提供し、また、リニアアクチュエータとして機能させる必要のないときには、外力に対して大きな抗力を与えることなく、容易に従動することができる。また、温度等の使用環境に依らず安定して機能を維持可能なリニアアクチュエータを実現することができる。

実施例２に係るリニアアクチュエータの断面図で、最小ストロークの場合を図６に、最大ストロークの場合を図７に示す。
本実施例のリニアアクチュエータの構成は、図１乃至３で示した実施例１のリニアアクチュエータと基本的には同じであるので、同じ構成については説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。

本実施例の円筒シリンダ２３は、直動ロッド２のウエアリング２２の閉塞端部側の可動範囲外の上部に開口部２６を有する。本体の一部である回転直動変換部ケーシング１２ｂは、遊星ローラねじのナット部１７の開口端部側の上部に開口部２４を有する。円筒シリンダ２３の開口部２６と、第１密閉領域５を構成する本体の一部である回転直動変換部ケーシング１２ｂの開口部２４は、バイパス管２５で接続され、互いに流体連通する流路が形成されている。

実施例１において説明したように、直動ロッド２が直動軸受け部ケーシング１２ａから延出し、図６の最小ストロークの状態から図７の最大ストロークの状態に変化することにより、第１密閉領域５の容積は増大する。また、第１密閉領域５は、第１と第２の回転オイルシール部１５、１６、１８、１９と直動オイルシール部３とによって密封されているため、この容積の増大により、第１密閉領域５内の圧力は低下する。遊星ローラねじのねじ部６ｂとナット部１７、ウエアリング２２と円筒シリンダ２３の内面との摺動部、及び、直動軸受け部ケーシング１２ａの直動軸受けと直動ロッド２の摺動部６ａとの間の潤滑のために、第１密閉領域５内には潤滑油が封入されているが、第１密閉領域５内の圧力の変動に対応するために、第１密閉領域５内には潤滑油とともに気体も封入されている。本発明のリニアアクチュエータは、直動ロッドの軸方向が略水平になるように設置して使用されるため、第１密閉領域５の一部である円筒シリンダ２３内の第１ｂ密閉領域５ｂにも潤滑油と気体が存在する。図６の最小スローク時と図７の最大ストローク時を比較すると明らかなように、円筒シリンダ２３内の第１ｂ密閉領域５ｂの容積の変化率は大きいため、この容積変化量に応じた圧力変化が生じ、それにより、第１密閉領域５内で潤滑油と気体の移動が発生する。特に、回転直動変換部ケーシング１２ｂの遊星ローラねじのナット部１７の第１の端部側に、潤滑油の貯留部として機能する第１ａ密閉領域５ａが形成されている。言い換えると、軸方向における第１の回転オイルシール部１５、１６と直動オイルシール部３との間に、第１密閉領域５は潤滑油の貯留部として機能する第１ａ密閉領域５ａを有する。該第１ａ密閉領域５ａと円筒シリンダ２３内のウエアリング２２の第２の端部側の第１ｂ密閉領域５ｂとの間で、流体を移動させるために必要な力を小さくすることは、外力に対し小さな負荷で従動させるため、また、リニアアクチュエータとして使用する場合にも迅速な応答を実現する上で重要である。

本実施例のリニアアクチュエータは、第１ａ密閉領域５ａと第１ｂ密閉領域５ｂを流体連通させるバイパス管２５を備える。このため、第１ａ密閉領域５ａと第１ｂ密閉領域５ｂの圧力差に応じ、実施例１の場合のようにウエアリング２２と円筒シリンダ２３の内面の間を経由するルートに加え、バイパス管２５を経由するルートで、第１ａ密閉領域５ａと第１ｂ密閉領域５ｂの間を潤滑油及び気体が移動する。このため、潤滑油及び気体の移動は実施例１の場合に比べ容易に行われる。また、水平に設置されるリニアアクチュエータの上側に、第１密閉領域５からバイパス管２５に接続する開口部２４、２６が備えられるので、圧力変化のバッファの役目を担う気体が優先的にバイパス管２５を通じて第１ａ密閉領域５ａと第１ｂ密閉領域５ｂの間を移動することになる。このため、どのようなストロークの状態においても、第１ａ密閉領域５ａ及び第１ｂ密閉領域５ｂ内に潤滑油が残留する状態を維持することができ、良好な潤滑条件を維持することができる。

なお低温の低下に伴い潤滑油の粘度は指数関数的に上昇するため、−２０℃のような低温時には、第１ａ密閉領域５ａと第１ｂ密閉領域５ｂ間を潤滑油が移動するために形成されているナット貫通孔１７ｂ及びウエアリングホルダ貫通孔２２ｂは、潤滑油に対して大きな流体抵抗を示す。さらに第１ａ密閉領域５ａ及び第１ｂ密閉領域５ｂの流路長は長いため、低温時（−２０℃近辺）には流体抵抗の影響は大きくなり無視できない。結果として、低温時には、直動ロッドのストロークに対するバックドライブフォースが上昇してしまう懸念がある。

低温時の潤滑油の粘性上昇に伴う流体抵抗の増大によるバックドライブフォースを低減するための実施例として、図８に実施例１の変形実施形態を示す。このリニアアクチュエータの変形実施形態においては、直動ロッド２は、遊星ローラねじのねじ部６ｂの端部である円筒シリンダ２３側の端面から、摺動部６ａ近傍まで軸方向に延在し第１ａ密閉領域５ａと第１ｂ密閉領域５ｂを流体連通しているねじ部貫通孔６ｃを有する。言い換えると、ねじ部貫通孔６ｃは、直動ロッド２の、円筒シリンダ２３に収容されている端部側の端面と、摺動部６ａより該端面側の外周面との間を流体連通する貫通孔である。これによって、ナット貫通孔１７ｂ及びウエアリングホルダ貫通孔２２ｂを経由する流路に加え、ねじ部貫通孔６ｃを経由する流路を経由しても、潤滑油は、第１ａ密閉領域５ａと第１ｂ密閉領域５ｂ間を移動することができ、流体抵抗を低減することができる。しかし、いずれの流路も軸方向に長いため、−２０℃近辺のような低温における高粘性の状態においては、粘性抵抗の増大の影響は無視できず、バックドライブフォースの上昇が課題となる。

これに対して本実施例の構成においては、第１ａ密閉領域５ａ及び第１ｂ密閉領域５ｂの上側に開口部２４、２６を有するバイパス管２５を有するため、バイパス管２５を経由して、潤滑油に対し気体が優先的に第１ａ密閉領域５ａと第１ｂ密閉領域５ｂ間を流れる。低温条件で潤滑油の粘性が上昇し、第１ａ密閉領域５ａ及び第１ｂ密閉領域５ｂの流路における潤滑油の粘性抵抗が上昇しても、パイパス管２５の存在によって直動ロッドのストロークに対する摺動抵抗の上昇は緩和される。さらに、バイパス管２５を設置した分だけ、第１密閉領域５内の空気領域の体積が大きくなるので、直動ロッドのストロークによる内圧上昇が緩和される。

本実施例においては、第１ａ密閉領域５ａと第１ｂ密閉領域５ｂをバイパス管２５によって流体連通する構成を例示して説明したが、本発明はこの構成に限定されることはない。直動ロッド２の軸が略水平となるように置いた時に、直動ロッド２の軸を含む水平面より上に位置する第１ａ密閉領域５ａの開口部と第１ｂ密閉領域５ｂの開口部を、流体連通に連結するバイパス流路を備えることによって、本実施例で説明したバイパス管２５と同様の作用効果を得ることができる。例えば、本リニアアクチュエータの本体１２を構成する、回転直動変換部ケーシング１２ｂ、モータ部ケーシング１２ｃ、モータ部後部ケーシング１２ｄ、円筒シリンダ１２ｅを貫通する貫通孔を形成して、第１ａ密閉領域５ａと第１ｂ密閉領域５ｂを流体連通させることによっても、本発明の作用効果を得ることができることに留意されたい。

以上より、第１の実施例に対して、低温時（−２０℃近辺）においてさらに安定した機能を維持することが可能なリニアアクチュエータを実現することができる。

図９に、最大ストローク時の実施例３に係るリニアアクチュエータの断面図を示す。
本実施例のリニアアクチュエータの構成は、図６及び図７で示した実施例２のリニアアクチュエータと基本的な構成は同じであるので、同じ構成については説明を省略し、異なる構成について説明する。

本実施例のリニアアクチュエータは、第１ａ密閉領域５ａを構成する回転直動変換部ケーシング１２ｂの形状が実施例２の場合とは異なる。その他の構成については、実施例２と同様である。

本実施例における拡張第１ａ密閉領域５ａ’を構成する回転直動変換部ケーシング１２ｂの形状は、直動ロッド２の軸を含む水平面に対して上下で非対称であり、直動ロッド２の軸が略水平となるように設置されるリニアアクチュエータにおいて、拡張第１ａ密閉領域５ａ’の直動ロッド２の軸を含む略水平面より上側の容積が下側の容積より大きくなるように回転直動変換部ケーシング１２ｂを構成している。

この構成を有することにより、所定量の潤滑油量に対して相対的に多い容積の気体を封入することができる。これにより、式（２）中のＶが大きくなるので、気体の容積の変化量であるＡ×Ｌが一定である場合には、Ｖ／（Ｖ−Ａ×Ｌ）が小さくなり、第１密閉領域５内の圧力変化量を小さくすることができる。圧力変化量が減少するため圧力変化に応じて流れる流体量も減少するので、バックドライブフォースを小さくすることができる。それによって、ストローク長によって変化する第１密閉領域５内の圧力に抗して直動ロッド２を駆動するために必要な力も小さくなり、よりスムーズなリニアアクチュエータの駆動を可能とする。さらに、式（２）を満足する装置の設計の自由度が向上する。

また、拡張第１ａ密閉領域５ａ’は、直動ロッド２の軸より上側の容積が下側の容積より大きい形状である。このような態様で拡張第１ａ密閉領域５ａ’内の容積を大きくすることにより、潤滑油溜めとしての機能を有する拡張第１ａ密閉領域５ａ’内の直動ロッド２の軸より下側の部分に溜まっている潤滑油は、第１ａ密閉領域５ａの容積を拡大していない実施例１や実施例２と同様に、潤滑を必要とする遊星ローラねじ（６、１７）や、ウエアリング２２への潤滑油の安定した供給が可能である。また、拡張第１ａ密閉領域５ａ’の上部に設けられた開口部２４と第１ｂ密閉領域５ｂが流体連通しているので、圧力バッファとしての気体はバイパス管２５を介して拡張第１ａ密閉領域５ａ’及び第１ｂ密閉領域５ｂ間を好適に流通可能である。

本実施例の構成を有することにより、第１密閉領域５内の密閉性をより確実に維持し、安定した機能を実現するリニアアクチュエータを提供できる。

図１０に、本発明の実施例１乃至３に係るリニアアクチュエータを適用した鉄道車両用の揺動制御装置の概略構成図を示す。本実施例の鉄道車両用の揺動制御装置は、実施例１乃至３の本発明のアクチュエータを鉄道車両の台車３５と車体３０の間に設置し、車体３０の揺動を抑制するようにリニアアクチュエータ３３の駆動をアクティブ制御する制御装置３２を備える。

車輪から一次ばね３６を介して台車３５に振動が伝達され、台車３５の振動は二次ばね３４を介して車体３０へ伝達される。加速度計３１は車体３０の加速度を測定し、制御装置３２は測定された加速度に応じて車体３０の揺動（振動）を抑制するように、リニアアクチュエータ３３をアクティブに制御する。制御装置によるアクティブ制御は、既知である様々な制御方法を適用することができる。

鉄道車両において、水平方向であって車両の進行方向に対して垂直である方向に対する振動（揺動）を抑制することは、鉄道車両の乗客の乗り心地を快適にするとともに、走行時の車両の走行姿勢を安定させる上で重要である。鉄道車両の揺動を抑制するためにリニアアクチュエータを使用する場合、リニアアクチュエータを水平方向であって車両の進行方向に対して垂直な方向で設置することが最も効率的な配置方法である。制約された鉄道車両の幅の中にリニアアクチュエータを収容する点において、本発明のコンパクト化されたリニアアクチュエータは大きなメリットを有する。特に狭軌の規格が幅広く適用されている条件下においては、本発明のコンパクト化されたリニアアクチュエータを鉄道車両における車体の揺動制御装置に適用することは特に有利である。

鉄道車両における車体の揺動制御装置のように、頻繁な交換等のメンテナンスが実行しにくく、設置される使用環境での温度変化が大きいという過酷な使用条件下であっても、低温での潤滑油の粘性増大によるバックドライブフォースの増大の影響を排除し、バックドライブフォースが低い状態で安定して機能するアクチュエータを活用した鉄道車両用の揺動制御装置を実現することができる。

１：第１の球面軸受け
２：直動ロッド
３：直動オイルシール
４：直動軸受け
５：第１密閉領域
５ａ：第１ａ密閉領域
５ａ’：拡張第１ａ密閉領域
５ｂ：第１ｂ密閉領域
６ａ：摺動部
６ｂ：遊星ローラねじ（ねじ部）
６ｃ：ねじ部貫通孔
７：ナット固定リング
８：ベアリング固定ナット
９：アンギュラベアリング
１０：回転中空シャフト
１１：中空モータ（ステータ巻線）
１２ａ：直動軸受け部ケーシング
１２ｂ：回転直動変換部ケーシング
１２ｃ：モータ部ケーシング
１２ｄ：モータ部後部ケーシング
１２ｅ（２３）：円筒シリンダ
１２ｆ（１４）：シリンダ後端部ケーシング
１３ａ：ＶＲレゾルバ（ステータ側）
１３ｂ：ＶＲレゾルバ（ロータ側）
１４：第２の球面軸受け
１５：第１の円筒シャフト（第１の回転オイルシール部）
１６：第１のオイルシール（第１の回転オイルシール部）
１７：遊星ローラねじ（ナット部）
１７ａ：ローラ
１７ｂ：ナット貫通孔
１８：第２のオイルシール（第２の回転オイルシール部）
１９：第２の円筒シャフト（第２の回転オイルシール部）
２０：中空モータ（ロータ永久磁石）
２１：第２密閉領域
２１ａ：ベアリング領域
２１ｂ：モータ領域
２２：ウエアリング
２２ａ：ウエアリングホルダ
２２ｂ：ウエアリングホルダ貫通孔
２２ｃ：ウエアリングホルダ固定ナット
２３：円筒シリンダ
２４：開口部
２５：バイパス管
２６：開口部
２７：非接触ラビリンスシール
２８：アンギュラベアリング押え板
３０：車体
３１：加速動計
３２：制御装置
３３：リニアアクチュエータ
３４：二次ばね
３５：台車
３６：一次ばね

Claims (13)

1. リニアアクチュエータは、
   開口端部と閉塞端部を有する中空構造の本体と、
   該本体内の閉塞端部側に固定され、開口端部側に開口端を有する円筒シリンダと、
   一方の端部は該本体の該開口端部から延出し、他方の端部は外周部にウエアリングを有し、該ウエアリングは軸方向に摺動可能に該円筒シリンダ内に収容され、該開口端部側の外周に該開口端部の直動オイルシールを介して軸方向に摺動可能な摺動部を有し、該直動オイルシールと該摺動部は該本体の内部を密閉する、直動ロッドと、
   該直動ロッドの軸を中心として回転可能に該本体内に支持された回転中空シャフトと、
   を有し、
   該回転中空シャフトは外周面の一部に永久磁石を有し、該本体はその内表面の該永久磁石と対面する位置にステータ巻線部を有し、該永久磁石と該ステータ巻線部は中空モータを構成し、
   該回転中空シャフトは同軸で固定されたナット部を有し、該直動ロッドは該摺動部と該ウエアリングの間の外周面に該ナット部と係合するねじ部を有し、該ナット部と該ねじ部は係合して回転中空シャフトが回転することにより該直動ロッドが軸方向に直動する回転直動変換機構を構成し、
   該ナット部の該直動ロッドの軸方向における両側において、該回転中空シャフトと該本体に固定された部材との間をシールする２箇所の回転オイルシール部を有し、
   該回転オイルシール部は、該直動ロッドが直動する該本体内の領域であって潤滑油と気体の混在する第１密閉領域を、該中空モータが配置された第２密閉領域から分離して画定するとともに、該直動オイルシール部と協働して該第１密閉領域を密封する、
   リニアアクチュエータ。
2. 前記２箇所の回転オイルシール部は、前記ナット部より前記開口端部側で前記本体に対して固定された第１の円筒シャフトの外周と前記回転中空シャフトに固定された第１のオイルシールで形成される第１の回転オイルシール部と、前記円筒シリンダの前記開口端に固定された第２の円筒シャフトの外周と前記回転中空シャフトに固定された第２のオイルシールで形成される第２の回転オイルシール部と、から構成される、請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
3. 前記リニアアクチュエータは、前記直動ロッドの軸方向が略水平となるように設置して使用され、
   前記円筒シリンダは、該直動ロッドの前記ウエアリングの可動範囲より前記閉塞端部側の上部に開口部を有し、
   前記本体は、前記ナット部より前記開口端部側において、前記第１密閉領域を構成する該本体の上部に開口部を有し、
   該円筒シリンダの該開口部と該本体の該開口部を流体連通する流路を有する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアアクチュエータ。
4. 前記ナット部より前記開口端部側の前記第１密閉領域において、前記直動ロッドの軸を含む水平面より上の容積は、該水平面より下の容積よりも大きい、ことを特徴とする請求項３に記載のリニアアクチュエータ。
5. 前記回転オイルシール部の摺動部の径は、前記直動ロッドの前記ねじ部の径の１．５倍以下である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
6. 前記回転オイルシール部の摺動部の径は、前記直動ロッドの前記ねじ部の径の１．３倍以下である、請求項５に記載のリニアアクチュエータ。
7. 前記軸方向における前記第１の回転オイルシール部と前記直動オイルシールとの間に、前記第１密閉領域は潤滑油の貯留部を有する、請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
8. 前記直動ロッドの前記摺動部の軸方向に垂直な断面積をＡ、直動ロッドの最大ストローク長をＬ、最大ストローク時の前記第１密閉領域内の気体の容積をＶ、としたとき、
   Ｖ／（Ｖ−Ａ×Ｌ）＜１．３
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
9. 前記ナット部と前記ねじ部により構成される前記回転直動変換機構は、遊星ローラねじで構成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
10. 前記ナット部は、軸方向に貫通する貫通孔を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
11. 前記直動ロッドの前記ウエアリングは、該直動ロッドに固定されたウエアリングホルダを介して該直動ロッドに固定され、
    該ウエアリングホルダは軸方向に貫通する貫通孔を有する、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
12. 前記直動ロッドは、前記他方の端部側の端面と、前記摺動部より該端面側の外周面との間を流体連通する貫通孔を有する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
13. 鉄道車両の台車と車体の間に設置された請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータと、車体の揺動を抑制するようにリニアアクチュエータの駆動をアクティブに制御する制御装置とを有する、鉄道車両用の揺動制御装置。

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