JP2012170284A

JP2012170284A - 電動シリンダ

Info

Publication number: JP2012170284A
Application number: JP2011030836A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Fujiwara; 正幸藤原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-09-06

Abstract

【課題】必要な最大推力を維持しながらロッドの動作時間による生産効率の低下を抑制する電動シリンダを提供する。
【解決手段】本電動シリンダ１は、ボールねじ軸６に設けた、リードが互い相違する小リードねじ部１０及び大リードねじ部１１と、シリンダ本体２内に軸方向に移動自在に、且つ回転不能に配置され、小リードねじ部１０に各ボールを介して螺合可能な第１ピストン１２と、シリンダ本体２内に軸方向に移動自在に、且つ回転不能に配置され、大リードねじ部１１に各ボールを介して螺合可能な第２ピストン１３と、第１ピストン１２と第２ピストン１３との間に配置されたコイルスプリング１４と、第１ピストン１２に連結され、先端部がシリンダ本体２の底部から突出するロッド１５とを備えたので、必要な最大推力を維持しながらロッドの動作時間による生産効率の低下を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動シリンダに関するものである。

一般に、自動車の生産工場では、部品を保持するときのクランプ機構や位置決めのために電動シリンダが使用される。
従来の電動シリンダとして特許文献１には、電動機と、該電動機の回転軸部に伝導部材を介して連結されるボールねじと、該ボールねじに螺合したボールナットと、該ボールナットに固定されたロッドとから構成され、電動機の回転軸部の回転によりボールねじが回転すると、ねじ機構によりボールナットと共にロッドが直線運動する電動シリンダが開示されている。

特開平９−２８９７５５号公報

ところで、通常のクランプ設備等で使用される電動シリンダでは、ロッドが最も前進した位置にて最大の推力が必要になるが、そこに至るまではその最大の推力は必要ない場合が多く見受けられる。
そこで、上述した特許文献１に記載の電動シリンダにおいても、ロッドが最も前進した位置における必要な最大推力を維持するために、ボールねじのリードを比較的に短めに設定して、モータ性能の選定が行われている。この結果、ボールねじに、ロッドの全進退範囲に亘って比較的短めのリードを有するねじ部が形成されることで、ロッドの動作時間（進退する時間）が遅くなり、生産効率が悪化する。そのため、ロッドの動作時間を短縮するためにボールねじのねじ部のリードを長めに設定すると、今度はロッドが最も前進した位置での必要な最大推力を維持するためにモータ性能を高めに設定する必要があり、コスト面で不利となる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、必要な最大推力を維持しながらロッドの動作時間による生産効率の低下を抑制する電動シリンダを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電動シリンダは、有底筒状のシリンダ本体と、電動モータからの回転力が伝達され、前記シリンダ本体内に延びるボールねじ軸と、該ボールねじ軸に設けた、リードが互い相違する小リードねじ部及び大リードねじ部と、前記シリンダ本体内に軸方向に移動自在に、且つ回転不能に配置され、前記ボールねじ軸の小リードねじ部にボールを介して螺合可能な第１ピストンと、前記シリンダ本体内に軸方向に移動自在に、且つ回転不能に配置され、前記ボールねじ軸の大リードねじ部にボールを介して螺合可能な第２ピストンと、前記第１ピストンと前記第２ピストンとの間に配置された弾性部材と、前記第１ピストンに連結され、先端部が前記シリンダ本体の底部から突出するロッドと、を備えたことを特徴としている。
これにより、必要な最大推力を維持しながらロッドの動作時間による生産効率の低下を抑制することができる。
なお、本発明の電動シリンダの各種態様およびそれらの作用については、以下の発明の態様の項において詳しく説明する。

（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。なお、各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付して、必要に応じて他の項を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載、実施の形態等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要件を付加した態様も、また、各項の態様から構成要件を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の各項において、（１）乃至（３）の各々が、請求項１乃至３の各々に相当する。

（１）有底筒状のシリンダ本体と、電動モータからの回転力が伝達され、前記シリンダ本体内に延びるボールねじ軸と、該ボールねじ軸に設けた、リードが互い相違する小リードねじ部及び大リードねじ部と、前記シリンダ本体内に軸方向に移動自在に、且つ回転不能に配置され、前記ボールねじ軸の小リードねじ部にボールを介して螺合可能な第１ピストンと、前記シリンダ本体内に軸方向に移動自在に、且つ回転不能に配置され、前記ボールねじ軸の大リードねじ部にボールを介して螺合可能な第２ピストンと、前記第１ピストンと前記第２ピストンとの間に配置された弾性部材と、前記第１ピストンに連結され、先端部が前記シリンダ本体の底部から突出するロッドと、を備えたことを特徴とする電動シリンダ。
（１）項の電動シリンダでは、ロッドの前進する初期状態から中間状態までは、電動モータが作動すると、ボールねじ軸の大リードねじ部と第２ピストンとの螺合により、第２ピストンが前進すると共にその推進力は弾性部材を経由して第１ピストンに伝達され、第１ピストンと共にロッドが前進するようになる。このロッドの前進はボールねじ軸の大リードねじ部と第２ピストンとの螺合により達成されるので、ロッドの動作時間を従来よりも短縮することが可能になる。その後、ボールねじ軸の大リードねじ部と第２ピストンとの螺合状態から、ボールねじ軸の小リードねじ部と第１ピストンとの螺合状態へ移行する際、両方の螺合状態が維持される時間帯があるが、この時の第２ピストンの第１ピストンに対する移動距離の差は弾性部材にて吸収することができる。その後最終的には、ボールねじ軸の小リードねじ部と第１ピストンとの螺合により第１ピストン及びロッドを前進させるので、ロッドが最大限前進した位置において、必要な最大の推進力を維持することができる。

（２）前記小リードねじ部の軸径は、前記大リードねじ部の軸径よりも大径であることを特徴とする（１）項に記載の電動シリンダ。
（２）項の電動シリンダでは、第１ピストンの内部（雌ねじ部内）にボールねじ軸の大リードねじ部を挿通させることができるので、電動シリンダの全体をコンパクトにすることができる。

（３）前記小リードねじ部は、前記大リードねじ部よりも前記ボールねじ軸の先端側に設けられることを特徴とする（１）項または（２）項に記載の電動シリンダ。
（３）項の電動シリンダでは、ロッドが最大で前進した位置において、必要な最大の推進力を維持することができる。

（４）前記第１ピストンから複数のピンが前記第２ピストン側に突設され、該複数のピンは、前記第１ピストンと前記第２ピストンとの間に配置された前記弾性部材であるコイルスプリング内をそれぞれ挿通して、前記第２ピストンを挿通し各ナットに固定されることを特徴とする（１）項〜（３）項のいずれかに記載の電動シリンダ。
（４）項の電動シリンダでは、コイルスプリングにより第２ピストンからの推進力を確実に第１ピストンに伝達することができると共に、第２ピストンの第１ピストンに対する移動距離の差をコイルスプリングにより容易に吸収することができる。

（５）前記ロッドが動作する前の初期状態では、前記シリンダ本体内のボールねじ軸は、その大リードねじ部が前記第２ピストンに螺合すると共に、前記第１ピストンの内部を挿通して、前記ロッドの基端面から軸方向に沿って設けた凹部内に収容されることを特徴とする（１）項〜（４）項のいずれかに記載の電動シリンダ。
（５）項の電動シリンダでは、電動シリンダの全体をさらにコンパクトにすることができる。

本発明によれば、必要な最大推力を維持しながらロッドの動作時間による生産効率の低下を抑制する電動シリンダを提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る電動シリンダを示す断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図４は、本電動シリンダのロッドが前進する様子を段階的に示した図である。

以下、本発明を実施するための形態を図１〜図４に基づいて詳細に説明する。
本発明の実施の形態に係る電動シリンダ１は、図１に示すように、有底筒状のシリンダ本体２と、該シリンダ本体２の開口端部（図中右端）を塞ぐエンドブロック３に固定される電動モータ４と、該電動モータ４からの回転軸（図示略）とカップリング５を介して接続されシリンダ本体２内に延びるボールねじ軸６と、該ボールねじ軸６に設けた、リードが互い相違する小リードねじ部１０及び大リードねじ部１１と、シリンダ本体２内に軸方向に移動自在に、且つ回転不能に配置され、ボールねじ軸６の小リードねじ部１０に複数のボール（図示略）を介して螺合可能な第１ピストン１２と、シリンダ本体２内に軸方向に移動自在に、且つ回転不能に配置され、ボールねじ軸６の大リードねじ部１１に複数のボール（図示略）を介して螺合可能な第２ピストン１３と、第１ピストン１２と第２ピストン１３との間に配置される弾性部材であるコイルスプリング１４と、第１ピストン１２に連結され、先端部がシリンダ本体２のヘッドブロック１９（底部）の貫通孔２２から外部に突出するロッド１５とを備えている。
なお、説明の便宜上、図中左側を前側として、図中右側を後側として適宜説明する。

シリンダ本体２は、筒体１８と、該筒体１８の前端開口を塞ぐ円板状のヘッドブロック１９とから構成される。筒体１８の内周面は平面視８角形に形成される（図２及び図３参照）。該ヘッドブロック１９の外周面に設けた雄ねじ部２０と、筒体１８の前端内周面に設けた雌ねじ部２１とを螺合して、筒体１８の前端開口がヘッドブロック１９により閉鎖される。該ヘッドブロック１９には、ロッド１５が挿通する貫通孔２２が設けられる。ヘッドブロック１９の貫通孔２２とロッド１５との間には環状のスクレーパ２３及び環状のブッシュ２４が備えられている。スクレーパ２３がブッシュ２４よりも前側に備えられる。また、ヘッドブロック１９の後面、すなわち筒体１８内に臨む面には軸方向に沿う凹部２５が形成され、該凹部２５内の外周にリング状の前進ストッパ２６が設けられる。該前進ストッパ２６により第１ピストン１２の前進限が規定される。

シリンダ本体２の筒体１８の後端開口（図中右端）は、エンドブロック３により閉鎖されている。エンドブロック３の前部外周面に設けた雄ねじ部２７と、筒体１８の後端内周面に設けた雌ねじ部２８とが螺合されて、筒体１８の後端開口がエンドブロック３により閉鎖される。エンドブロック３には、軸方向に貫通して延びる小径開口部２９及び大径開口部３０が形成される。小径開口部２９が大径開口部３０よりも前側、すなわちシリンダ本体２の内部寄りに形成される。エンドブロック３の後面に電動モータ４の本体が複数のボルト３１により固定される。

ボールねじ軸６は、シリンダ本体２（円筒１８）内を延び、エンドブロック３の小径開口部２９及び大径開口部３０内に延びている。該ボールねじ軸６の後端（図中右端）と電動モータ４からの回転軸（図示略）とはエンドブロック３の大径開口部３０内でカップリング５により接続される。また、ボールねじ軸６はエンドブロック３の小径開口部２９内に軸受３２により回転自在に支持される。なお、軸受３２は、エンドブロック３のシリンダ本体２内に臨む面にボルト３３により固定される断面Ｌ字状で環状に延びるベアリング押さえ部材３４と、ボールねじ軸６に螺合されるベアリング押さえナット３５とによりエンドブロック３の小径開口部２９に支持される。軸受３２のシリンダ本体２内へ臨む面でベアリング押さえ部材３４の内側には、ボールねじ軸６が挿通する挿通孔３６を有する後退ストッパブロック４０が備えられる。該後退ストッパブロック４０により第２ピストン１３の後退限が規定される。なお、ボールねじ軸６の先端部分は、ロッド１５に設けられた凹部５４内に収容される。

ボールねじ軸６には、リードの相違する小リードねじ部１０及び大リードねじ部１１が形成される。すなわち、小リードねじ部１０は、大リードねじ部１１よりもそのリードが短く設定されている。小リードねじ部１０及び大リードねじ部１１は共に一条ねじである。また、ボールねじ軸６の先端に小リードねじ部１０が形成され、該小リードねじ部１０から基端側に間隔を開けた位置に大リードねじ部１１が形成される。小リードねじ部１０の軸径は、大リードねじ部１１の軸径より大径に形成される。小リードねじ部１０と大リードねじ部１１との間の軸部の軸径は、小リードねじ部１０の軸径よりも小径に形成される。また、小リードねじ部１０の長さは大リードねじ部１１の長さより大幅に短く形成される。

第１ピストン１２は、図１及び図２に示すように、外形が平面視８角形で、シリンダ本体２の筒体１８内に軸方向に摺動自在に、且つ回転不能に支持される第１筒体４１と、該第１筒体４１内に複数のボルト６０により固定され、ボールねじ軸６の小リードねじ部１０に各ボールを介して螺合される雌ねじ部４３を有する第１ボールナット４２とから構成される。第１筒体４１の前面には突設部４４が設けられ、該突設部４４の内周面にロッド１５の基端がネジ結合で接続される。

一方、第２ピストン１３は、図１及び図３に示すように、外形が平面視８角形で、シリンダ本体２の筒体１８内に軸方向に摺動自在に、且つ回転不能に支持される第２筒体４７と、該第２筒体４７内に複数のボルト６０により固定され、ボールねじ軸６の大リードねじ部１１に各ボールを介して螺合される雌ねじ部４９を有する第２ボールナット４８とから構成される。
そして、シリンダ本体２の筒体１８内に第１ピストン１２及び第２ピストン１３が配置されると、筒体１８の内周面と、第１及び第２ピストン１２、１３の外形とは互いに平面視８角形に形成されているため、第１及び第２ピストン１２、１３の、シリンダ本体２の筒体１８に対する回転が規制される。

第１ピストン１２の第１筒体４１の後面には２本のピン５１、５１が径方向で対向した位置にねじ込まれている。該各ピン５１は、第２ピストン１３の第２筒体４７の対応する各貫通孔５２に挿通され、各ピン５１の端部にナット５３がそれぞれねじ込まれている。また、第１ピストン１２の第１筒体４１と第２ピストン１３の第２筒体４７との間の各ピン５１の周りにはそれぞれコイルスプリング１４が設けられている。各コイルスプリング１４により第１ピストン１２と第２ピストン１３とは互いに遠退する方向に付勢されている。

ロッド１５は、その基端（後端）が第１ピストン１２の第１筒体４１に設けた突設部４４の内周面にネジ結合で接続され、その先端がシリンダ本体２のヘッドブロック１９の貫通孔２２から外部に突出している。該ロッド１５には、その基端面（後端面）から軸方向に沿う所定深さの凹部５４が形成される。初期状態では、ロッド１５の凹部５４内にボールねじ軸６が収容されるようになる。

次に、本発明の実施の形態に係る電動シリンダ１の作用を図４に基づいて説明する。
図４（ａ）は電動モータ４が作動していない初期状態を示す。
該初期状態では、第２ピストン１３の第２ボールナット４８の後面が後退ストッパブロック４０に当接された状態で、ボールねじ軸６に設けられた大リードねじ部１１の後側範囲に第２ピストン１３の第２ボールナット４８が各ボールを介して螺合され、ボールねじ軸６の先端が第１ピストン１２の第１ボールナット４２内を挿通すると共にロッド１５に設けた凹部５４内に収容された状態となる。また、第１ピストン１２と第２ピストン１３との間の各コイルスプリング１４は伸びた状態である。
なお、この初期状態では、ボールねじ軸６の小リードねじ部１０と第１ピストン１２の第１ボールナット４２とは螺合されていない状態であるが、第１ボールナット４２の雌ねじ部４３内の複数のボールはリテーナ（図示略）により保持されており、落下することはない。

次に、電動モータ４が作動されると、ボールねじ軸６が回転することにより、第２ピストン１３はその回転が規制されているために前進し、各コイルスプリング１４の付勢力によって第２ピストン１３からの推進力が第１ピストン１２に伝達されて、第１ピストン１２と共にロッド１５が前進し始める。
次に、電動モータ４の作動を継続すると、図４（ｂ）に示すように、ボールねじ軸６の小リードねじ部１０と第１ピストン１２の第１ボールナット４２とが各ボールを介して螺合し始める。この時、まだ、ボールねじ軸６の大リードねじ部１１と第２ピストン１３の第２ボールナット４８との螺合状態は維持されている。

次に、図４（ｂ）及び（ｃ）に示すように、ボールねじ軸６の大リードねじ部１１と第２ピストン１３の第２ボールナット４８との螺合状態から、ボールねじ軸６の小リードねじ部１０と第１ピストン１２の第１ボールナット４２との螺合状態に移行する際、両方の螺合状態が維持される時間帯が発生するが、この状態では、第２ピストン１３が第１ピストン１２よりも電動モータ４の回転数に対する移動量が大きいために、各コイルスプリング１４が圧縮される。
最終的に、図４（ｃ）に示すように、ボールねじ軸６の小リードねじ部１０と第１ピストン１２の第１ボールナット４２との螺合状態が完全となり、第１ピストン１２が前進ストッパ２６によりその前進が規制された時点で、ボールねじ軸６の大リードねじ部１１と第２ピストン１３の第２ボールナット４８との螺合状態が解除される。そして、電動シリンダ１のロッド１５の推進力が最大になる。
このように、本実施の形態では、初期状態（図４（ａ）の状態）から中間位置（図４（ｂ）の状態）までのロッド１５の前進速度が、中間位置（図４（ｂ）の状態）から最大前進位置（図４（ｃ）の状態）までのロッド１５の前進速度よりも速くなり、ロッド１５の前進速度を２段階に分けることができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る電動シリンダ１では、特に、ボールねじ軸６に設けた、リードが互い相違する小リードねじ部１０及び大リードねじ部１１と、シリンダ本体２内に軸方向に移動自在に、且つ回転不能に配置され、小リードねじ部１０に各ボールを介して螺合可能な第１ピストン１２と、シリンダ本体２内に軸方向に移動自在に、且つ回転不能に配置され、大リードねじ部１１に各ボールを介して螺合可能な第２ピストン１３と、第１ピストン１２と第２ピストン１３との間に配置されるコイルスプリング１４と、第１ピストン１２に連結され、先端部がシリンダ本体２のヘッドブロック１９の貫通孔２２から外部に突出するロッド１５とを備えている。

これにより、ロッド１５が前進し始めて（図４（ａ）の状態）から中間位置（図４（ｂ）の状態）に至るまでの間は、ボールねじ軸６の大リードねじ部１１と第２ピストン１３の第２ボールナット４８との螺合によりロッド１５を前進させるので、ロッド１５の動作時間（前進する時間）を従来よりも短縮することができる。また、中間位置（図４（ｂ）の状態）からロッド１５が最大で前進した位置（図４（ｃ）の状態）に至るまでの間は、ボールねじ軸６の小リードねじ部１０と第１ピストン１２の第１ボールナット４２との螺合によりロッド１５を前進させるので、ロッド１５が最大限前進した位置における必要な最大の推力を維持することができる。
そして、本発明の実施の形態に係る電動シリンダ１を採用することにより、必要な最大推力を維持しながらロッド１５の動作時間による生産効率の低下を抑制することができる。

１電動シリンダ，２シリンダ本体，４電動モータ，６ボールねじ軸，１０小リードねじ部，１１大リードねじ部，１２第１ピストン，１３第２ピストン，１４コイルスプリング（弾性部材），１５ロッド

Claims

有底筒状のシリンダ本体と、
電動モータからの回転力が伝達され、前記シリンダ本体内に延びるボールねじ軸と、
該ボールねじ軸に設けた、リードが互い相違する小リードねじ部及び大リードねじ部と、
前記シリンダ本体内に軸方向に移動自在に、且つ回転不能に配置され、前記ボールねじ軸の小リードねじ部にボールを介して螺合可能な第１ピストンと、
前記シリンダ本体内に軸方向に移動自在に、且つ回転不能に配置され、前記ボールねじ軸の大リードねじ部にボールを介して螺合可能な第２ピストンと、
前記第１ピストンと前記第２ピストンとの間に配置された弾性部材と、
前記第１ピストンに連結され、先端部が前記シリンダ本体の底部から突出するロッドと、
を備えたことを特徴とする電動シリンダ。
前記小リードねじ部の軸径は、前記大リードねじ部の軸径よりも大径であることを特徴とする請求項１に記載の電動シリンダ。
前記小リードねじ部は、前記大リードねじ部よりも前記ボールねじ軸の先端側に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の電動シリンダ。