JP2012244788A - ボールネジとスプライン軸を備える電動シリンダ - Google Patents

Abstract

【課題】高圧ポンプ用の往復運動する動力装置として活用されるプランジャシリンダに関して、様々な必要圧力に対応、安定した連続運転を可能にし、長寿命かつ小型化された電動シリンダを提供する。
【解決手段】中空軸モータに、ボールネジとボールスプラインを同一軸上にて接合した駆動軸を挿通させ、ボールネジ部には動力を伝達させるネジナットを、スプライン部には回転を抑制させるスプラインナットを各々装着させ、中空軸モータの回転駆動力を、緩衝装置を介してボールネジナットへ伝達させ、駆動軸を、特に短い距離（１５０mm以下）を往復運動させることを特徴とする電動シリンダを提供する。緩衝装置により機械誤差等を吸収する構造である為、機械要素部の変位等に影響されることなく運転が可能。シリンダ容量も大きく、消耗品も無く部品交換も不要であり、高圧ポンプ用の動力装置として、安定性・小型化・長寿命を達成した最適なシリンダとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、中空軸モータでネジナットを回転させて、廻り止めされた駆動軸を直動させるシリンダ、ピストン運動用動力に係り、特に、前記中空軸モータに関して、サーボモータもしくはサーボモータと同等の性能を持つ中空軸モータを使用し、減速機及びエンコーダ等の設置が不要な電動シリンダ、往復運動プランジャシリンダに関するものである。

搬送機械装置における搬送・位置決めのための動力伝達装置として、空圧式、油圧式、そして電動式のシリンダが使用されている。とりわけ電動式シリンダは、油圧式や空圧式のシリンダに比べ、騒音や油漏れ等の環境汚染や取扱い易さ等の理由から、各種の産業用機器に最適とされており、搬送のみならず、高圧ポンプ用の往復運動する動力装置としても使用が可能となる電動シリンダも存在している。

例えば、特許文献１には、「高圧ポンプ」の名称で、小型で所定の圧力を正確に発生することが可能な電動シリンダ、高圧ポンプについての発明がなされている。プランジャを有する高圧ポンプにおいて、中空軸モータに推力伝達軸を挿通させ、回転ナットのネジと結合させ、さらに中空軸モータの回転によって回転ナットが作用するよう設置、推力伝達軸の両端部にシリンダ内を往復運動するプランジャを結合したことを特徴としている。

従って特許文献１の装置は、中空軸モータの回転駆動力を推力伝達軸の直進運動に変え、中空軸モータの回転方向を正・逆と繰り返すことで、推力伝達軸が往復運動する。以上により、特許文献１の装置を用いることで、所定の圧力を正確に発生させることを可能にし、かつ推力伝達軸にプランジャを結合している為、極めて小型とすることができる。さらにプランジャの駆動装置の端部にシリンダが取り付けられており、シリンダの交換や装置の保守も容易に行うことができる。

特願平９−２３５８６

しかしながら、この上記特許文献１に関する高圧ポンプは、以下の問題が生じることになる。確かに回転ナットを軸受けとし推力伝達軸にプランジャを取り付けることで、小型化やシリンダ交換、装置の保守といった点で効果を達成していると認めるが、運転が継続されるにつれ、熱変形等に起因して生じる機械誤差、あるいは組立誤差や部品固有の加工誤差等の対応に乏しい構造となっており、装置の破損や、運転に影響を及ぼす可能性を否定できない。

本発明では、上記装置の小型化や装置の保守といった効果をふまえ、課題となる熱膨張の影響を防いだ高圧ポンプ用の往復運動する動力装置として使用可能な電動シリンダを提供することを目的とする。

上記目的達成の為に、請求項に基づき下記０００９乃至００１１記載の発明を提案する。なお、以下の説明では便宜上、図中にて矢印Ｘで示す方向を、駆動軸の軸方向と呼称する。

請求項１に記載の発明は、サーボモータもしくはサーボモータと同等の性能を持つ中空軸モータ（以下、中空軸モータと記す）に、ボールネジとボールスプラインを同一軸上に設けた駆動軸を挿通させ、ボールネジ部にはネジ溝上に設置した多数の鋼球を介してネジナットを螺合させ装着、ボールスプライン部には、軸方向に設けたスプライン溝に設置した多数の鋼球を介してスプラインナットを装着させ、さらに中空軸モータと、噛合させた外歯ギアと内歯ギアを介して、ボールネジナットとを連結させた電動シリンダである。

前記電動シリンダは、中空軸モータの回転駆動力を、ボールネジナットへ伝達させることでボールネジに回転駆動力を伝達させる。一方で、スプラインに設けられたスプラインナットを軸方向の一定位置に回転も移動もしないよう固定することで廻り止め機構となる。従って、中空軸モータを回転駆動させる事により、回転抑制された駆動軸が軸方向へ移動する作用を成す。

中空軸モータの正・逆回転を繰り返すことで駆動軸が軸方向へ往復運動を達成し、駆動軸の両先端部にプランジャを取付けることで、シリンダ内の液体を圧送させる装置となる。

本装置には、緩衝装置として、中空軸モータ―ネジナット間に、外歯ギア・内歯ギアを噛合させた継手が備わっている。本装置内に緩衝装置を設けることで、運転時に起こりうる熱膨張の変位、機械誤差及び組立誤差等を、ギアの噛合部にて吸収する構造であることから、機械要素部の変位等に影響されることなく運転が可能となる。

また、構造上シリンダ容量も大きく消耗品も無い為、部品交換も不要であり、サーボモータまたは同等の中空軸モータを擁するシリンダに対応可能な装置であることから、高圧ポンプ用の動力装置として、または搬送・位置決め装置としても安定性・小型化・長寿命を達成した最適なシリンダとなっている。

以下本考案の形態を図１及び図２に基づき、説明する。

図１は、本発明の形態に係る電動シリンダの正面断面図及び右側面図である。中空軸モータ１に、ボールネジ２‐ａとボールスプライン２‐ｂを同一軸上に設けた駆動軸２を挿通させる。ボールネジ２‐ａ部にはネジ溝上に設置した多数の鋼球を介してネジナット３を螺合させ装着、ボールスプライン２‐ｂ部には、軸方向に設けたスプライン溝に設置した多数の鋼球を介してスプラインナット４を装着させる。ネジナット３はハウジング７により回転自在に固定、スプラインナット４は回転不能に固定され、ハウジング７はイケール１０にて固定される。

さらに、中空軸モータ１を、噛合させた外歯ギアと内歯ギアからなる継手５、及び接続軸６を介して、ボールネジナット３と連結させる。中空軸モータ１の回転駆動力を、ボールネジナット３へ伝達させることでボールネジ２‐ａに回転駆動力を伝達させる。一方で、スプライン２‐ｂに設けられたスプラインナット４を軸方向の一定位置に固定することで廻り止め機構とする。

従って、中空軸モータ１を回転駆動させる事により、回転抑制された駆動軸２が軸方向へ移動する作用を成す。中空軸モータ１の正・逆回転を繰り返すことで駆動軸がＸ方向へ往復運動を達成し、駆動軸の両先端部にプランジャ８を取付けることで、シリンダ９内の液体を圧送させる装置となる。

図中の継手５に関しては、外歯ギア・内歯ギアを噛合させて成り立っており、これは装置の組立の際の簡易容易を追究し、はめ込み式とすることで組み立て易く構築したものであるが、同時に、ギアの螺合部が、運転時に起こりうる熱膨張の変位、機械誤差や組立誤差等のズレを吸収する緩衝部の役割も果たしている。

なお、本発明のシリンダ図１に示したボールネジ設置方向において、向きを反転移設させて装着する場合にも、同等の能力を持つ装置として対応可能である。その構造を図２に示す。

図１同様、中空軸モータ１に駆動軸２を挿通させ、ネジナット３、スプラインナット４を装着させる。ここで、中空軸モータ１と継手５の間に出力軸１１を設置する。さらに動力を伝達する際の継手５に関して、図１の場合は中空軸モータ１から外歯ギア、内歯ギア、接続軸６の順で動力伝達を行っているが、図２の場合、中空軸モータ１から出力軸１１、内歯ギア、外歯ギア、接続軸６の順で動力伝達を行う。以上の構造にすることにより、ボールネジ３を反転移設させて装着させた場合も、図１の装置と同等の能力を持つ装置として成り立つ。

本発明の実施の形態に係るシリンダの正面断面図及び右側面図 図１ボールネジ装着方向を反転移設させた場合のシリンダの正面断面図

１．中空軸モータ
２．駆動軸（２‐ａ及び２‐ｂを含む）
２‐ａ．ボールネジ
２‐ｂ．ボールスプライン
３．ネジナット
４．スプラインナット
５．継手（緩衝装置）
６．接続軸
７．ハウジング
８．プランジャ
９．シリンダ
１０．イケール
１１．出力軸

本発明は、中空軸モータでネジナットを回転させて、本体内または外部より廻り止めされた駆動軸を直動させるシリンダ、ピストン運動用動力に係り、特に、前記中空軸モータに関して、サーボモータもしくはサーボモータと同等の性能を持つ中空軸モータを使用し、減速機及びエンコーダ等の設置が不要な電動シリンダ、往復運動プランジャシリンダに関するものである。

本発明では、上記装置の小型化や装置の保守といった効果をふまえ、課題となる熱膨張の影響を防いだ高圧ポンプ用の、特に短い距離（ストローク１５０mm以下）を往復運動する動力装置として使用可能な電動シリンダを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、サーボモータもしくはサーボモータと同等の性能を持つ中空軸モータ（以下、中空軸モータと記す）に、ボールネジとボールスプラインを同一軸上にて接合した駆動軸を挿通させ、ボールネジ部にはネジ溝上に設置した多数の鋼球を介してネジナットを螺合させ装着、ボールスプライン部には、軸方向に設けたスプライン溝に設置した多数の鋼球を介してスプラインナットを装着させ、さらに中空軸モータと、噛合させた外歯ギアと内歯ギアを介して、ボールネジナットとを連結させた電動シリンダである。前記電動シリンダは、中空軸モータの回転駆動力を、ボールネジナットへ伝達させることでボールネジに回転駆動力を伝達させる。一方で、スプラインに設けられたスプラインナットを軸方向の一定位置に回転も移動もしないよう固定することで廻り止め機構となる。従って、中空軸モータを回転駆動させる事により、回転抑制された駆動軸が軸方向へ移動する作用を成し、中空軸モータの正・逆回転を繰り返すことで、駆動軸が軸方向へ往復運動を達成し、駆動軸の両先端部にプランジャを取付けることで、シリンダ内の液体を圧送させる装置となる。

また請求項１の発明は、駆動軸にボールスプラインを要して廻り止めを成す事で、駆動軸の往復運動を達成しているが、本体内ではなく外部にて廻り止めが可能な場合、ボールスプラインは不要として考える事が出来る（請求項２に記載の発明）。構造を説明すると、中空軸モータにボールネジとロッド軸を同一軸上にて接合した駆動軸を挿通させ、ネジ部にネジナットを螺合させ装着、ロッド軸部にはブッシュを設置、さらに中空軸モータと、噛合させた外歯ギアと内歯ギアを介して、ボールネジナットとを連結させ、外部より駆動軸の回転を防ぐよう廻り止めをする。従って、中空軸モータを回転駆動させる事により、回転抑制された駆動軸が軸方向へ移動する作用を成す。廻り止め方法に関しては、搬送側にて駆動軸２を回転抑制させる装置の設置や、本発明装置外周にガイド支持機構（特願２０１１−３０４２６、名称：電動シリンダのガイド支持機構にて請求された発明）を設置する等により対応できる。

なお、使用する中空軸モータがサーボモータの場合、モータ内に回転検出器（以下、エンコーダ）が組み込まれており、エンコーダからモータ軸の回転位置や回転速度をフィードバックし、動作司令パルスとの誤差を修正しながら回転することで精密で高速な位置決め運転を可能にしている。汎用モータを使用する場合、エンコーダ付汎用モータや、外部にてエンコーダを設置し、インバータ制御方式により使用することも可能だが回転数に制御があり、高精度・高速度を考慮した場合、制御用モータとして最も高性能・高速応答のモータであるサーボモータの使用が最適だと考えられる。また本件では請求項３に示すように上限用及び下限用の近接スイッチを軸方向に各々設置している。直進移動する駆動軸に備わる検出部を、一方の近接スイッチが検知する機構にすることで、暴走を防止する安全装置として活用する。

また、構造上シリンダ容量も大きく消耗品も無い為、部品交換も不要であり、サーボモータまたは同等の中空軸モータを擁するシリンダに対応可能な装置であることから、高圧ポンプ用の動力装置として、または搬送・位置決め装置としても安定性・小型化・長寿命を達成した最適なシリンダとなっている。さらに、本装置の機能自体を反転させることで、高圧ポンプのみならず真空ポンプの動力を提供することも可能である。なお、本件により提供する電動シリンダは、短距離（１５０mm以下）の往復運動を要する動力装置に使用する際に最大の効果を発揮するものであり、長距離（５００mm以上）の往復運動を要する動力装置の場合は、複数のネジナットを要したシリンダ装置（特願２０１１−１１３０１４、図３参照）が最適なものとして効果を発揮する。

以下本考案の形態を図１乃至図５に基づき、説明する。

図１は、本発明の形態に係る電動シリンダの正面断面図及び右側面図である。中空軸モータ１に、ボールネジ２‐ａとボールスプライン２‐ｂを同一軸上にて接合した駆動軸２を挿通させる。ボールネジ２‐ａ部にはネジ溝上に設置した多数の鋼球を介してネジナット３を螺合させ装着、ボールスプライン２‐ｂ部には、軸方向に設けたスプライン溝に設置した多数の鋼球を介してスプラインナット４を装着させる。ネジナット３はハウジング７により回転自在に固定、スプラインナット４は回転不能に固定され、ハウジング７はイケール１０にて固定される。さらに、中空軸モータ１を、噛合させた外歯ギアと内歯ギアからなる継手５、及び接続軸６を介して、ボールネジナット３と連結させる。中空軸モータ１の回転駆動力を、ネジナット３へ伝達させることでボールネジ２‐ａに回転駆動力を伝達させる。一方で、スプライン２‐ｂに設けられたスプラインナット４を軸方向の一定位置に固定することで廻り止め機構とする。

従って、中空軸モータ１を回転駆動させる事により、回転抑制された駆動軸２が軸方向へ移動する作用を成す。なお、本体の両端部に暴走防止用安全装置として近接スイッチ１３を各々設置し、直進移動する駆動軸２に備わるドグ１４の接近を、一方の近接スイッチ１３が検知可能にすることで、安全に考慮した機構としている。以上により、中空軸モータ１の正・逆回転を繰り返すことで駆動軸がＸ方向へ往復運動を達成し、駆動軸の両先端部にプランジャ８を取付けることで、シリンダ９内の液体を圧送させる装置となる。図中の継手５に関しては、外歯ギア・内歯ギアを噛合させて成り立っており、これは装置の組立の際の簡易容易を追究し、はめ込み式とすることで組み立て易く構築したものであるが、同時に、ギアの螺合部が運転時に起こりうる熱膨張による変位、機械誤差や組立誤差等のズレを吸収する緩衝部の役割も果たしている。なお、本発明のシリンダ図１に示したネジナット設置方向において、向きを反転移設させて装着する場合にも、同等の能力を持つ装置として対応可能である。以下００１７に、図２を用いて構造を説明する。

図２は、図１のネジナット装着方向を反転移設させた場合のシリンダの正面断面図である。図１同様、中空軸モータ１に駆動軸２を挿通させ、ネジナット３、スプラインナット４を装着させる。ここで、中空軸モータ１と継手５の間に出力軸１１を設置する。さらに動力を伝達する際の継手５に関して、図１の場合は中空軸モータ１から外歯ギア、内歯ギア、接続軸６の順で動力伝達を行っているが、図２の場合、中空軸モータ１から出力軸１１、内歯ギア、外歯ギア、接続軸６の順で動力伝達を行う。以上の構造にすることにより、ネジナット３を反転移設させて装着させた場合も、図１の装置と同等の能力を持つ装置として成り立つ。また、本体外部により駆動軸が廻り止め可能な場合は、ボールスプラインを排除した構造でも成り立つ。以下００１８に図３を用いて構造を説明する。

図３は、駆動軸の廻り止めを本体外部にて実施する場合の電動シリンダの正面断面図である。中空軸モータ１に、ボールネジ２‐ａとロッド軸２‐ｃを同一軸上にて接合した駆動軸２を挿通させる。ボールネジ２‐ａ部にはネジナット３を螺合させ装着、ロッド軸２‐ｃ部には、軸受ブッシュ１３を設置させる。動力伝達は、図１及び図２と同様、中空軸モータ１から継手５、接続軸６、ネジナット３、そして駆動軸２−ａへと動力を伝達させる。従って、中空軸モータ１を回転駆動させる事により、外部により回転抑制された駆動軸２が軸方向へ移動する作用を成す。中空軸モータ１の正・逆回転を繰り返すことで駆動軸がＸ方向へ往復運動を達成する。

図４は、駆動軸の一端のみを使用する場合の電動シリンダの正面断面図である。構造は図３と同等であるが、駆動軸が本体を貫通しない構造としている。また図５は、図４の構造においてボールネジとボールスプラインにより成り立つ駆動軸を使用した場合のシリンダの正面断面図である。図４と比較して駆動軸が本体を貫通しない構造は変わらないが、駆動軸が図１及び図２と同様に、ボールネジとボールスプラインにより形成されている。図１乃至図４に設置した近接スイッチは、外部より設置する為、本図では記載しない。

なお、ストロークはモータ能力、ロッド軸径にも関係するが、本件では図１乃至図３は、ストローク１５０mm以下（１００〜１２０mm程度）、図４及び図５はストローク７５mm以下（５０mm程度）とする。

本発明の実施の形態に係るシリンダの正面断面図及び右側面図 図１ボールネジ装着方向を反転移設させた場合のシリンダの正面断面図 本発明の駆動軸の廻り止めを本体外部にて実施する場合のシリンダの正面断面図 図３の構造において、駆動軸の一端のみを使用する場合のシリンダの正面断面図 図４の構造において、ボールネジとボールスプラインにより成り立つ駆動軸を使用した場合のシリンダの正面断面図

１．中空軸モータ
２．駆動軸（２‐ａ、２‐ｂ、２−ｃを含む）
２‐ａ．ボールネジ
２‐ｂ．ボールスプライン
２‐ｃ．ロッド軸
３．ネジナット
４．スプラインナット
５．継手（緩衝装置）
６．接続軸
７．ハウジング
８．プランジャ
９．シリンダ
１０．イケール
１１．出力軸
１２．軸受ブッシュ
１３．近接スイッチ
１４．ドグ

Claims (1)

1. 中空軸モータに、ボールネジとボールスプラインを同一軸上に設けた駆動軸を挿通させ、前記ボールネジ部にネジナットを、前記スプライン部にスプラインナットを各々装着させ、前記中空軸モータの回転駆動力を、噛合させた外歯ギアと内歯ギアを介して、前記ボールネジナット、前記駆動軸へと伝達させることを特徴とする電動シリンダ。