JP2013137065A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】軸部材などを用いたロッドタイプのアクチュエータに用いられる電動モータの小型化を達成することができ、さらに動作時の使用電力量を削減することができるアクチュエータを提供する。
【解決手段】駆動手段によって回転されるナット部材と、前記ナット部材に螺合する軸部材を有し、前記ナット部材の回転運動を前記軸部材の直線運動に変換する減速機構と、前記減速機構を収納するハウジングを備えたアクチュエータにおいて、前記ハウジングに前記ナット部材の回転を規制する係止手段を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、軸部材を長手方向に沿って移動可能なアクチュエータに関し、具体的には、ねじ装置などの減速機構を回転駆動させ、該回転運動を直線運動に変換して軸部材を移動可能に保持するアクチュエータに関する。

従来から、軸部材を長手方向に沿って移動させ、軸部材が案内対象物を押し引きするアクチュエータが知られている。また、このようなアクチュエータにおいて、軸部材は案内対象物を押し込み又は引き込んだ状態に保持固定することが求められる。

このようなアクチュエータは例えば、成形機の金型の型締力を付与するアクチュエータとして用いられている。成形機では、金型を閉じて成形操作中に金型が加熱されて膨張することにより型締力が順次上昇して金型が開いてしまうことを防止するために、伸縮可能なリンク機構を備えるトグルを用いて金型の型締力を設定していた。

特開昭５９−１４６８２５号公報

しかしながら、従来のトグルを用いた成形機の構成によると、金型の型締力を容易に設定することができるという利点があるものの、トグルの構造が非常に大きく、成形機自体が大型化してしまうという問題があった。また、金型の背面からトグルを押し込むような構成となっているため、大きな成形品を成形するために金型を大きくすると金型とトグルの干渉を防止するために更に成形機自体が大型化するといった問題があった。

また、トグルを用いずに電動モータを用いたアクチュエータによって金型の型締力を設定しようとすることも考えられる。しかし、電動モータを用いた場合、成形操作中の金型の加熱膨張に対して金型を閉じた状態を保持するために、電動モータに常に電力を供給して保持力を得る必要があり、適切な型締力を設計するために保持力を考慮した電動モータの設計をする必要が生じ、電動モータの小型化や電動モータ駆動時の電力使用量の削減を図ることができないといった問題があった。

本発明は、上記課題を解決するために成されたものであって、軸部材などを用いたロッドタイプのアクチュエータに用いられる電動モータの小型化を達成することができ、さらに動作時の使用電力量を削減することができるアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係るアクチュエータは、駆動手段によって回転されるナット部材と、前記ナット部材に螺合する軸部材を有し、前記ナット部材の回転運動を前記軸部材の直線運動に変換する減速機構と、前記減速機構を収納するハウジングを備えたアクチュエータにおいて、前記ハウジングに前記ナット部材の回転を規制する係止手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、軸部材が減速機構に組み付けられ、減速機構の回転を規制する係止手段を備えているので、回転運動を直線運動に変換することにより回転方向の小さな力で軸部材を移動することができると共に、軸部材の直線運動を減速機構の回転を規制する係止手段によって係止するので、外部からの電力供給などを必要とすることなく軸部材を保持することができ、アクチュエータの省電力を図ることができる。

本発明の実施形態に係るアクチュエータを示す一部断面斜視図。 本発明の実施形態に係るアクチュエータの構造を説明するための断面図。 減速機構の構造を説明するための斜視図。 係止手段の構造を説明するための斜視図。 本発明の実施形態に係るアクチュエータの動作を説明するための一部断面図。 係止手段の動作を説明するための図。

以下、本発明に係るアクチュエータの実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の実施形態に係るアクチュエータを示す一部断面斜視図であり、図２は、本発明の実施形態に係るアクチュエータの構造を説明するための断面図であり、図３は、減速機構の構造を説明するための斜視図であり、図４は、係止手段の構造を説明するための斜視図であり、図５は、本発明の実施形態に係るアクチュエータの動作を説明するための一部断面図であり、図６は、係止手段の動作を説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態に係るアクチュエータ１は、駆動手段４０によって回転される減速機構２０と、この減速機構２０に螺合する軸部材１０を備えている。また、軸部材１０，減速機構２０及び駆動手段４０は、第１のハウジング５１，第２のハウジング５２及びハウジング本体５３からなるハウジングに収納されている。なお、第２のハウジング５２には、後述する固定ピン３１を第２の駆動手段であるソレノイド部３２によって長手方向に出没自在に配置する係止手段３０が取り付けられている。

図２に示すように、軸部材１０は外表面に螺旋状の転動体転走溝１１が形成されており、第１のハウジング５１に形成されたスプライン部２５と係合するようにスプライン溝１２が長手方向に沿って転動体転走溝１１と隣接して形成されている。このように、軸部材１０はスプライン溝１２とスプライン部２５とによって長手方向に移動可能かつ、周方向に回転不能に保持することができる。

減速機構２０は、軸部材１０が挿通される貫通孔が形成されて略円筒形に形成されたナット部材２１を備えており、ナット部材２１の内周面には、転動体転走溝１１と対向する螺旋状の負荷転動体転走溝２２が形成されている。

また、転動体転走溝１１と負荷転動体転走溝２２との間には複数の転動体２３が配列されている。転動体２３は、例えば、球状のボールを用いることができる。

さらに、ナット部材２１の内周面には、転動体転走溝１１に向けて突設して転動体転走溝１１と摺接するシール部材２６が取り付けられている。このシール部材２６によって、転動体２３の円滑な転走を実現するために塗布される潤滑剤が減速機構２０の外部に漏出することを防止できる。

また、ナット部材２１は、長手方向の一端が深溝ベアリング５５を介して第１のハウジング５１に回転可能に支持されており、他端はアンギュラベアリング５４を介して第２のハウジング５２に回転可能に支持されている。なお、アンギュラベアリング５４は、軸部材１０の移動を保持する方向に対して軸方向の荷重を負荷できるように配置されている。さらに、深溝ベアリング５５は、減速機構２０が振れ回ることを防止するために配置されている。

さらに、ナット部材２１は、ナット部材２１に同軸配置された駆動手段４０によってナット部材２１の周方向に回転駆動される。駆動手段４０は、ナット部材２１の外周面にＳ極及びＮ極が周方向に沿って相互に配置されるように配列された磁石４２と、該磁石４２及びナット部材２１を遊嵌するように円筒形のコイル４１をナット部材２１との中心を合わせるように組み付けてなるリニアモータを構成している。なお、コイル４１は、ハウジング本体５３の内周面に取り付けられている。

コイル４１は磁石４２を遊嵌するＵ・Ｖ・Ｗ相からなる一組の三相コイルを構成している。このように、三相に構成されたコイル４１に対して１２０°ずつ位相が異なる三相電流を流すと、コイル４１の軸方向に移動する移動磁界が発生するので、ナット部材２１は、移動磁界により推力を得て、ナット部材２１の周方向に沿って移動磁界の速さに同期したナット部材２１の回転運動が実現する。

本実施形態に係るアクチュエータ１は、上述した構成を備えているので、駆動手段４０によってナット部材２１を回転させると、転動体転走溝１１と負荷転動体転走溝２２を転動体２３が負荷を受けながら転走する。これによって駆動手段４０の回転運動を軸部材１０が長手方向に沿って移動する直線運動に変換することができる。

また、軸部材１０が長手方向に沿って荷重を受けた場合、当該荷重を減速機構２０によってより回転角の小さな回転運動に変換することができるので、入力された軸方向の荷重に比べ、減速機構２０をより小さな力で回転不能に保持することができる。

また、図３に示すように、ナット部材２１の第２のハウジング５２側には、ナット部材２１の一端側にナット部材２１と一体に形成された鍔状の係止板２４が形成されている。係止板２４の外縁には、係止板２４の径方向に延びる係合面２４ｂを含む複数の係合溝２４ａが係合部として径方向に沿って形成されている。なお、アンギュラベアリング５４と隣接するようにエンコーダ２７が取り付けられており、このエンコーダ２７によってナット部材２１の回転位置を検出することができるようになっている。なお、係止板２４はナット部材２１と別体に形成しても構わない。

次に、図４を参照して係止手段３０について説明を行う。係止手段３０は、長手方向に延び、一端に段差３１ａが形成された例えば円柱状の固定ピン３１と、固定ピン３１を長手方向に沿って出没自在に駆動するソレノイド部３２とを備えている。ソレノイド部３２は、内部に電流を流すことによって生じた磁界によって磁性材で構成された固定ピン３１を長手方向に沿って駆動せしめる部材である。また、本実施例では固定ピン３１は、押し出された状態においてコイルスプリング３３が第２のハウジング５２と段差３１ａの間に介在することによってソレノイド部３２側に付勢されているので、ソレノイド部３２が無励磁の状態では、係止手段３０は固定ピン３１がソレノイド部３２側に付勢された状態で保持される。

図５に示すように、係止手段３０は第２のハウジング５２に取り付けられているので、固定ピン３１が係止板２４に対して出没自在に係合可能となっている。図６に示すようにソレノイド部３２に電流を流し固定ピン３１が突出した状態では、固定ピン３１が係止板２４に形成された係合溝２４ａの係合面２４ｂと係合するので、係止板２４を介してナット部材２１が回転不能に保持することができる。この状態では、駆動手段４０に流す電流は必要ないので、駆動手段４０に供給する電力を大幅に削減することが可能となる。

また、係止手段３０は、ソレノイド部３２によって駆動されるので、より少ない電力使用量でナット部材２１を回転不能に保持することができる。なお、固定ピン３１は、案内筒３４を介して第２のハウジング５２に組み付けられているので、ナット部材２１が回転しようとする回転方向の力を固定ピン３１の外周で受けることができる。このような構成によって固定ピン３１に作用するナット部材２１の回転方向の力を案内筒３４の内周で受けることができるので、固定ピン３１に作用する力を逃がすことができると共に、ソレノイド部３２の損傷を防止することができる。さらに、係合溝２４ａの位置はエンコーダ２７からの情報によって制御することができるので、固定ピン３１が突出する際に係止板２４と固定ピン３１とが衝突することを防止するように制御することができる。

このように、本実施形態に係るアクチュエータ１は、減速機構２０に形成した係止板２４を係止手段３０によって回転不能に保持しているので、軸部材１０が受ける長手方向の荷重を減速機構２０によって回転角の小さい回転運動に変換することができ、より小さな力で減速機構２０の回転を保持することが可能となる。

また、係合溝２４ａが係止板２４の外縁部に形成されているので、係止板２４の最大径部を固定ピン３１によって回転不能に保持することで、より小さな力で減速機構２０の回転を保持することが可能となる。

次に、図６を参照して固定ピン３１と係合面２４ｂの係合及び解除の方法について説明を行う。本実施形態に係るアクチュエータ１は、軸部材１０を保持固定する位置まで移動させると、固定ピン３１が係止板２４に向けて突出する。係合面２４ｂの位置はエンコーダ２７によって制御可能であり、係合溝２４ａの幅は固定ピン３１の径よりも大きく形成されているので、固定ピン３１は係合溝２４ａ内に挿入される。

この状態で駆動手段４０の電流供給を停止すると、軸部材１０は、案内対象物の位置を保持するために長手方向に沿った反力を受ける。この反力は減速機構２０によって回転運動に変換されるので、係止板２４をＲ方向に回転させる。このＲ方向の回転によって係合溝２４ａの一方の面が係合面２４ｂとして固定ピン３１と当接することで、減速機構２０を回転不能に保持している。なお、固定ピン３１は、係止板２４の外縁部に係合するので、係止板２４の中央部で係合した場合に比べて、より小さな力で回転力を受けることができる。

また、固定ピン３１の当接面３１ｂは、上述した回転力を受けているため、ソレノイド部３２を無励磁としても容易に係合を解除することができず、過大な力で係合を解除しようとすると固定ピン３１の損傷や摩耗が生じる可能性がある。したがって、固定ピン３１と係合面２４ｂとの係合解除の際には、駆動手段４０をＲ方向と逆方向に回転させることで当接面３１ｂの受ける荷重を抜いた状態で固定ピン３１の係合を解除するように駆動手段４０に逆位相の電流を流すように制御している。このように解除時に駆動手段４０をナット部材２１が逆回転するように制御を行うことで、固定ピン３１の損傷や摩耗を防止することができる。

なお、固定ピン３１の係合を解除した後は、減速機構２０の回転が許容されるため、軸部材１０は案内対象物からの反力によって長手方向に移動される。この際、急激な軸部材１０の移動を抑制するために、本実施形態に係るアクチュエータ１は、駆動手段４０に回生制動手段を備えている。

回生制動手段は、駆動手段４０のコイル４１と磁石４２とが相対的に回転することで、回転運動を電気エネルギーに変換し当該変換時に生じる回転抵抗によって回転運動を抑制する機構である。この回生制動手段を備えることで、軸部材１０の急激な移動を抑制することができると共に、電力を使用せずに制動を行うことが可能となるので、更なる電気使用量を抑制することが可能となる。

また、本実施形態に係る係合面２４ｂは、ナット部材２１の回転を常に一定の位置で固定する態様で使用する場合には、少なくとも１カ所形成するようにしても構わない。さらに、係合面２４ｂは固定ピン３１の当接面３１ｂと係合することができればよいので、係合溝２４ａとして構成しなくとも、係止板２４の外縁部の一部を切り欠いて形成した段部によって構成し、該段部に当接面３１ｂに対応する係合面２４ｂを備えるように形成しても構わない。またさらに、段部によって係合面２４ｂを形成した場合、係止板２４の外縁部と段部の連続する位置は、係合面と係止板の外周面とをなだらかに連続した円弧形状とすると固定ピン３１の係合及び解除を円滑に行うことができる。

また、本実施形態に係る係合面２４ｂは、係合溝２４ａによって構成しなくとも、係止板２４に固定ピン３１が挿通可能な孔によって構成しても構わない。さらに、固定ピン３１は円柱状に形成した場合について説明したが、係合部と係合することができれば、断面矩形状など、種々の形状に形成することが可能である。

また、本実施形態に係る第２の駆動手段３２は、ソレノイドを用いた場合について説明したが、固定ピン３１を出没自在に配置できればコイルスプリングやピエゾ素子などを用いて固定ピン３１を出没自在に配置することも可能である。

また、本実施形態に係るアクチュエータ１は、減速機構２０の一端を一方向の荷重を負荷するように単一のアンギュラベアリング５４で保持した場合について説明したが、一対のアンギュラベアリング５４を背面合わせに配置して軸方向の両方向の荷重を負荷でき、軸部材１０の押し込み、引っ張りの両動作を行うことが可能なアクチュエータとして構成しても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ アクチュエータ， １０ 軸部材， １１ 転動体転走溝， １２ スプライン溝， ２０ 減速機構， ２１ ナット部材， ２４ 係止板， ２４ａ 係合溝（係合部）， ２５ スプライン部， ３０ 係止手段, ３１ 固定ピン， ３２ ソレノイド部（第２の駆動手段）， ４０ 駆動手段。

Claims (6)

1. 駆動手段によって回転されるナット部材と、前記ナット部材に螺合する軸部材を有し、前記ナット部材の回転運動を前記軸部材の直線運動に変換する減速機構と、
   前記減速機構を収納するハウジングを備えたアクチュエータにおいて、
   前記ハウジングに前記ナット部材の回転を規制する係止手段を備えることを特徴とするアクチュエータ。
2. 請求項１に記載のアクチュエータにおいて、
   前記係止手段は、前記ナット部材に一体又は別体に形成された係止板と前記係止板に対して出没自在に係合可能な固定ピンと、前記固定ピンを出没自在に配置せしめる第２の駆動手段を備え、
   前記第２の駆動手段は、前記ハウジングに取り付けられることを特徴とするアクチュエータ。
3. 請求項２に記載のアクチュエータにおいて、
   前記係止板は、前記固定ピンが係合する係合部が少なくとも１か所形成されることを特徴とするアクチュエータ。
4. 請求項３に記載のアクチュエータにおいて、
   前記係合部は、前記係止板の外縁部に形成されることを特徴とするアクチュエータ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のアクチュエータにおいて、
   前記駆動手段は、前記ナット部材と同軸に配置され、
   前記軸部材は、周方向への回転を防止するスプライン溝を備え、
   前記ハウジングは前記スプライン溝と協働して前記軸部材の回転を規制するスプライン部を備えることを特徴とするアクチュエータ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のアクチュエータにおいて、
   前記駆動手段は、回生制動手段を更に備えることを特徴とするアクチュエータ。

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