JP2019065986A - 回転ユニット及び該回転ユニットを備えたシリンダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で直線方向への駆動力を回転方向へと変換して出力すると共に、必要とされる出力性能に応じて交換可能とする。【解決手段】圧力流体の供給作用下に軸方向に沿って移動するピストン１２を有したシリンダ部１４と、前記シリンダ部１４の他端部に着脱自在に連結され前記軸方向への駆動力を回転方向へと変換して出力可能な回転ユニット部１６とを備え、この回転ユニット部１６のボールねじ軸５０が前記シリンダ部１４のピストンロッド２４に連結されている。そして、ピストン１２と共にボールねじ軸５０が進退動作することで、複数のボール５２を介してボールねじ軸５０に螺合された回転ナット５４が回転し、回転方向の駆動力として外部へと出力される。【選択図】図３

Description

本発明は、軸方向に沿った直線方向の駆動力を回転方向へと変換して出力する回転ユニット及び該回転ユニットを備えたシリンダ装置に関する。

本出願人は、圧力流体の供給作用下にピストンロッドを進退動作させ、その駆動力をシャフトへと伝達して回転させることで回転方向の駆動力として出力するロータリアクチュエータを提案している（特許文献１参照）。

このロータリアクチュエータは、外側シリンダチューブ及び内側シリンダチューブからシリンダチューブが構成され、この外側シリンダチューブと内側シリンダチューブとの間にシリンダ室が形成されると共に、このシリンダ室にはピストンが軸方向に沿って移動自在に設けられている。そして、ピストンには同軸状のピストンロッドを有し、該ピストンの内部にはシャフトが挿入されている。

また、シャフトの両端部は、外側シリンダチューブ及び内側シリンダチューブに設けられた軸受によって回動自在に軸支されると共に、前記シャフトの外周部にはスクリュー溝が形成され、ピストンロッドの先端に対して径方向内側へ突出した係合ピンが係合される。

そして、シリンダチューブへの圧力流体の供給作用下にピストン及びピストンロッドが軸方向に沿って移動し、それに伴って係合ピンがスクリュー溝に沿って移動することでシャフトがシリンダチューブに対して回転する。

特許第３５６８８８６号公報

本発明は、前記の提案に関連してなされたものであり、簡素な構成で直線方向への駆動力を回転方向へと変換して出力すると共に、必要とされる出力性能に応じて交換可能な回転ユニット及び該回転ユニットを備えたシリンダ装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、ボディと、
ボディの内部に軸方向に沿って移動自在に設けられるボールねじ軸と、
ボールねじ軸の外周側に複数のボールを介して螺合される回転体と、
回転体の端部に着脱自在に連結される出力軸と、
を備え、
ボールねじ軸が軸方向に沿って移動することで回転体及び出力軸が回転することを特徴とする。

本発明によれば、回転ユニットにおけるボディの内部にボールねじ軸が軸方向に沿って移動自在に設けられ、このボールねじ軸の外周側には複数のボールを介して回転体が螺合されると共に、回転体の端部には出力軸が着脱自在に連結される。

従って、ボールねじ軸、ボール及び回転体からなるボールねじ機構を用いるという簡素な構成で、ボールねじ軸へ入力される軸方向への駆動力を回転方向へと変換して出力軸から出力可能とし、しかも、出力軸を着脱自在とすることで要求される様々な出力性能に応じて容易に交換して対応させることが可能となる。

また、出力軸を、回転体に対して螺合させるとよい。

さらに、本発明は、ボディの軸方向に沿った端部に連結され、圧力流体の供給されるシリンダ室を内部に有したシリンダチューブと、
シリンダ室に沿って軸方向に移動自在に設けられるピストンと、
一端部がピストンに連結され、他端部がボールねじ軸に連結されるピストンロッドと、
を備え、
シリンダ室への圧力流体の供給作用下にピストン、ピストンロッド及びボールねじ軸が軸方向に沿って一体的に移動することを特徴とする。

本発明によれば、ボールねじ軸の収納されるボディの端部にシリンダチューブが連結され、このシリンダチューブには圧力流体の供給されるシリンダ室を備えると共に、ピストンが軸方向に沿って移動自在に設けられる。また、ピストンには、ピストンロッドの一端部が連結され、このピストンロッドの他端部がボールねじ軸へと連結されている。

そして、シリンダチューブのシリンダ室へと圧力流体が供給されることで、ピストンに連結されたピストンロッド及びボールねじ軸が軸方向に沿って一体的に移動し、それに伴って、ボールを介してボールねじ軸に螺合された回転体が回転して出力軸から回転方向の駆動力が出力される。

従って、ボールねじ軸、ボール及び回転体からなるボールねじ機構を用いるという簡素な構成で、圧力流体の供給作用下に発生するピストン及びピストンロッドの軸方向への駆動力を回転方向へと変換して出力軸から出力することができ、しかも、シリンダチューブとボディとを着脱自在とすることで要求される様々な出力性能に応じて容易に交換して対応させることができる。

さらにまた、ボディとシリンダチューブとを締結部材を介して軸方向に着脱自在に設けるとよい。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、回転ユニットにおけるボディの内部にボールねじ軸を軸方向に沿って移動自在に設け、このボールねじ軸の外周側には複数のボールを介して回転体が螺合すると共に、回転体の端部に出力軸を着脱自在に連結することで、ボールねじ軸、ボール及び回転体を用いるという簡素な構成で、ボールねじ軸へ入力される軸方向への駆動力を回転方向へと変換して出力軸から出力することができ、しかも、出力軸を着脱自在としているため要求される出力性能に応じて容易に交換して対応させることができる。

本発明の実施の形態に係る回転ユニットを備えたシリンダ装置の外観斜視図である。 図１に示すシリンダ装置の分解斜視図である。 図１に示すシリンダ装置の全体断面図である。 図１に示すシリンダ装置を回転ユニット部側から見た正面図である。

本発明に係る回転ユニット及び該回転ユニットを備えたシリンダ装置について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る回転ユニットを備えたシリンダ装置を示す。

この回転ユニットを備えたシリンダ装置１０（以下、単にシリンダ装置１０という）は、図１〜図４に示されるように、圧力流体の供給作用下に軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って進退動作するピストン１２を有したシリンダ部１４と、このシリンダ部１４に対して連結自在に設けられ前記軸方向に沿った駆動力を回転方向へと変換して出力する回転ユニット部１６とを含む。

このシリンダ部１４は、断面矩形状のシリンダチューブ１８と、該シリンダチューブ１８の一端部に装着されるヘッドカバー２０と、他端部に装着されるロッドカバー２２と、前記シリンダチューブ１８の内部に移動自在に設けられるピストン１２と、前記ピストン１２に連結されるピストンロッド２４とを含む。すなわち、シリンダ部１４は、圧力流体の供給作用下にピストン１２及びピストンロッド２４を軸方向に進退動作させる流体圧シリンダである。

シリンダチューブ１８は、例えば、金属製材料から断面矩形状に形成され軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って延在すると共に、その四隅には軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って貫通した第１ボルト孔２６（図２参照）が形成される。この第１ボルト孔２６には、後述する回転ユニット部１６のボディ４６と連結するための連結ボルト（締結部材）２８がそれぞれ挿通される。

このシリンダチューブ１８の外部には、圧力流体の供給・排出される一組の流体ポート３０ａ、３０ｂが形成され、この流体ポート３０ａ、３０ｂが連通路３２を介してシリンダ室３４とそれぞれ連通すると共に、配管を介して図示しない圧力流体供給源と接続されている。

一方、シリンダチューブ１８の内部には、断面円形状に形成されピストン１２及びピストンロッド２４の収容されるシリンダ室３４が形成され、その一端部には、断面円形状のプレート体からなるヘッドカバー２０が設けられ、その外縁部がシリンダ室３４の内周面に形成された環状溝へ係合されることで、シリンダチューブ１８に対して固定されると共に前記シリンダ室３４の一端部を閉塞している。

ロッドカバー２２は、シリンダチューブ１８の他端部側（矢印Ｂ方向）からシリンダ室３４へと挿入され、その他端面に当接させた係止リング３６が前記シリンダチューブ１８の内周面に対して係合されることで、前記シリンダチューブ１８に対して固定される。

そして、ロッドカバー２２の中央には軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って貫通したロッド孔３８が形成され、ピストンロッド２４が挿通され移動自在に支持されると共に、ロッド孔３８に設けられた環状のロッドパッキン４０が前記ピストンロッド２４の外周面に摺接する。

なお、ヘッドカバー２０は、一方の流体ポート３０ａに近接し、ロッドカバー２２は、他方の流体ポート３０ｂに近接するように設けられる。

さらに、シリンダ室３４には、ヘッドカバー２０とロッドカバー２２との間にピストン１２が移動自在に設けられ、このピストン１２はシリンダチューブ１８に沿って軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に移動自在に設けられると共に、その外周面に設けられた環状のピストンパッキン４２が前記シリンダ室３４の内周面に摺接しながら移動する。

また、ピストン１２の外周面には環状溝を介してピストンパッキン４２が設けられ、シリンダ室３４の内周面に摺接すると共に、前記ピストン１２の他端部中央には、所定長さを有した軸状のピストンロッド２４が連結される。

このピストンロッド２４は、その他端部側（矢印Ｂ方向）がロッドカバー２２のロッド孔３８に挿通され該ロッドカバー２２に対して所定長さだけ突出すると共に、前記他端部には後述する回転ユニット部１６のボールねじ軸５０が螺合されるねじ孔４４が形成されている。

回転ユニット部１６は、断面矩形状の筒体からなるボディ４６と、該ボディ４６の内部に収納されるボールねじ機構４８とを含む。

ボディ４６は、軸方向に沿って所定長さを有し、その内部に軸方向に沿って貫通した貫通孔５８が形成されると共に、該貫通孔５８の径方向外側となる四隅には連結ボルト２８の螺合される第２ボルト孔６０（図１及び図２参照）が形成される。

また、ボディ４６の一端部側（矢印Ａ方向）には、シリンダ部１４側に向かって所定長さで延在したスペーサ部６２が形成され、シリンダチューブ１８の他端部に当接する。このスペーサ部６２の軸方向に沿った長さは、シリンダ部１４におけるピストン１２のストローク距離に応じた長さに設定される。

そして、ボディ４６の一端部となるスペーサ部６２を、シリンダチューブ１８の他端部と当接させることで、第２ボルト孔６０と第１ボルト孔２６とが同軸上となり、前記シリンダチューブ１８の一端部側から第１ボルト孔２６へと挿通された連結ボルト２８が第２ボルト孔６０へと螺合される。これにより、シリンダ部１４を構成するシリンダチューブ１８とボディ４６とが同軸上で連結される。

換言すれば、連結ボルト２８によってシリンダ部１４のシリンダチューブ１８と回転ユニット部１６のボディ４６とが着脱自在に設けられている。

ボールねじ機構４８は、図２及び図３に示されるように、軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って所定長さを有したボールねじ軸５０と、前記ボールねじ軸５０に対して複数のボール５２を介して螺合される回転ナット（回転体）５４と、前記回転ナット５４に連結されるホルダ５６とを含む。

ボールねじ軸５０は、ボディ４６における貫通孔５８の内部に設けられると共に、図３に示されるように、その一端部に形成されたねじ部６４がピストンロッド２４のねじ孔４４へ螺合されることで同軸上に連結されると共に、前記ねじ部６４に螺合されたロックナット６６が前記ピストンロッド２４の他端部に当接するように配置される。このロックナット６６によってピストンロッド２４に対するボールねじ軸５０の緩みが防止される。

また、ボールねじ軸５０の外周面には、その他端部から軸方向に沿った略中央部までに螺旋状の第１ねじ溝６８が形成され、この第１ねじ溝６８はボールねじ軸５０の軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って螺旋状となるように形成される。そして、ボールねじ軸５０の一部が後述する回転ナット５４の内部に挿通される。

回転ナット５４は、円筒状に形成されボディ４６における貫通孔５８の内部に設けられると共に、ボールねじ軸５０の外周側に設けられる。この回転ナット５４の内部には、軸方向に沿って螺旋状の第２ねじ溝７０が形成され、前記回転ナット５４の内部にボールねじ軸５０が挿通された際、第２ねじ溝７０と前記ボールねじ軸５０の第１ねじ溝６８とに複数のボール５２が挿入されることで互いに螺合される。

これにより、回転ナット５４は、ボールねじ軸５０が軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って移動することで、複数のボール５２を介して回転変位することとなる。

また、回転ナット５４には、その外周側を覆うように円筒状のホルダ５６が設けられ、このホルダ５６は、径方向に貫通した孔部７２を通じてキー部材７４が回転ナット５４の外周面に形成された嵌合溝７６へと嵌合される。これにより、回転ナット５４とホルダ５６との相対的な回転が規制され、前記回転ナット５４と前記ホルダ５６とが常に一体的に回転する。

そして、回転ユニット部１６では、回転ナット５４及びホルダ５６は、ボディ４６における貫通孔５８において軸方向に沿った両端部に設けられた一対の軸受７８ａ、７８ｂによって回転自在に支持されると共に、前記軸受７８ａ、７８ｂのさらに外側に設けられた一対の係止リング８０ａ、８０ｂによって軸方向への移動が規制された状態となる。すなわち、回転ナット５４及びホルダ５６は、ボディ４６内において回転変位のみが許容されている。

このホルダ５６の他端部には縮径した連結部８２が形成され、この連結部８２には、円筒状で所定長さを有した連結ロッド８４を介して後述するソケット（出力軸）８６が連結される。連結ロッド８４は、その一端部が連結部８２に螺合されることで前記ホルダ５６及び回転ナット５４と同軸上に連結される。

ソケット８６は、その一端部にねじの刻設された締結部８８を有し、この締結部８８が連結ロッド８４における他端部の内部に挿入され螺合されることで同軸上に連結される。すなわち、ソケット８６は、連結ロッド８４を介してホルダ５６、回転ナット５４及びボールねじ軸５０と同軸上に設けられる。また、ソケット８６は、連結ロッド８４に対して螺合させることで着脱自在に設けられる。

さらに、ソケット８６の他端部中央には、その端面から一端部側（矢印Ａ方向）に向かって延在しねじの刻設された取付孔９０が形成され、例えば、図示しない治具、ワーク、装置等が連結可能に形成される。

そして、回転ユニット部１６では、ホルダ５６の連結部８２、連結ロッド８４及びソケット８６が前記ボディ４６の他端部から外部へと突出するように設けられる。

本発明の実施の形態に係る回転ユニットを備えたシリンダ装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。なお、ここでは、図３に示されるピストン１２がヘッドカバー２０側（矢印Ａ方向）に移動した状態を初期位置として説明する。

先ず、初期位置にあるシリンダ装置１０において、図示しない圧力流体供給源から配管を通じて一方の流体ポート３０ａへと圧力流体を供給することで、シリンダ室３４へと導入された圧力流体によってピストン１２がピストンロッド２４と共に前記シリンダ室３４に沿ってロッドカバー２２側（矢印Ｂ方向）へと移動し、それに伴って、ボールねじ軸５０がソケット８６側に向かって移動する。

これにより、ボールねじ軸５０の移動に伴って、第１ねじ溝６８に沿って複数のボール５２が移動し、このボール５２を介して螺合された回転ナット５４がボディ４６の内部で所定方向（図１及び図４中、矢印Ｃ方向）に回転する。この際、回転ナット５４は、一対の軸受７８ａ、７８ｂ及び係止リング８０ａ、８０ｂによって軸方向への移動が規制された状態となるため、軸方向に移動することなく回転変位のみすることとなる。

そして、回転ナット５４が回転することで、この回転ナット５４に固定されたホルダ５６、連結ロッド８４及びソケット８６が所定方向（矢印Ｃ方向）に一体的に回転する。

例えば、ソケット８６の取付孔９０に治具等を装着することで、この治具等を所定方向、且つ、所定の回転数で回転させて作業を行うことが可能となる。より具体的には、ソケット８６に対してドライバビットを取り付け、このドライバビットの先端を締結するねじに挿入した状態で所定の回転数で回転させることで、前記ねじを所定の締付トルクで締結することができる。

このソケット８６を含む回転ユニット部１６の回転動作は、ピストン１２がロッドカバー２２に当接するまで連続的に行われ、該ロッドカバー２２に当接して移動が停止することで停止する。換言すれば、回転ユニット部１６の回転数は、ピストン１２（ピストンロッド２４、ボールねじ軸５０）の軸方向に沿ったストローク量と、ボールねじ軸５０の移動量に対する回転ナット５４の回転数との関係によって設定される。

一方、上述した一方の流体ポート３０ａへの圧力流体の供給を停止し、他方の流体ポート３０ｂへと前記圧力流体を供給することで、シリンダ室３４に導入された圧力流体によってピストン１２がヘッドカバー２０側（矢印Ａ方向）に向かって移動し、それに伴って、ピストンロッド２４及びボールねじ軸５０が一体的に移動する。これにより、ボールねじ軸５０に対して複数のボール５２で螺合された回転ナット５４は前記とは反対方向（図１及び図４中、矢印Ｄ方向）に回転し、ホルダ５６、連結ロッド８４及びソケット８６も反対方向に所定の回転数だけ回転する。

そして、ピストン１２がヘッドカバー２０に当接するまで連続的に回転し、該ヘッドカバー２０に当接して前記ピストン１２の移動が停止することで回転も停止する。この際、ソケット８６を含む回転ユニット部１６の回転数は、上述したピストン１２がロッドカバー２２側へと移動する際の回転数と略同一となる。

次に、回転ユニット部１６をシリンダ部１４に対して着脱する場合について説明する。

先ず、シリンダ部１４から回転ユニット部１６を取り外す場合には、シリンダチューブ１８の第１ボルト孔２６に挿通されている連結ボルト２８を螺回させ、第２ボルト孔６０に対する螺合を解除することで、前記シリンダチューブ１８と回転ユニット部１６のボディ４６との連結状態を解除する。また、ロックナット６６を螺回させピストンロッド２４から離間させるように移動させた後、ボールねじ軸５０をピストンロッド２４に対して螺回させることで、ねじ部６４のねじ孔４４に対する螺合が解除され両者の連結状態が解消される。これにより、シリンダ部１４の他端部に連結された回転ユニット部１６が取り外される。

次に、例えば、直径の異なるボールねじ軸５０を有した別の回転ユニット部１６へと交換して取り付ける場合には、このボールねじ軸５０のねじ部６４をピストンロッド２４のねじ孔４４へと螺合させ連結すると共に、ボディ４６のスペーサ部６２をシリンダチューブ１８の他端部に当接させ、第１ボルト孔２６に挿通した連結ボルト２８をボディ４６の第２ボルト孔６０へと螺合させることで、前記シリンダチューブ１８と前記ボディ４６とが一直線状に連結される。これにより、性能の異なる別の回転ユニット部１６がシリンダ部１４に対して連結されたシリンダ装置１０が構成される。

なお、上述した説明では、同一のシリンダ部１４に対して別の回転ユニット部１６を交換し取り付ける場合について説明したが、これに限定されるものではなく、同一の回転ユニット部１６に対し、例えば、ピストン１２のストローク量が異なる別のシリンダ部１４を交換して取り付けるようにしてもよい。

また、上述したように回転ユニット部１６の全体を交換する場合に限定されるものではなく、例えば、前記回転ユニット部１６におけるソケット８６のみを交換するようにしてもよい。この場合には、ソケット８６を連結ロッド８４に対して螺回させることで取り外し、例えば、外径、軸方向に沿った長さ、取付孔９０の内径等の異なる別のソケット８６を螺合させ連結することで、前記ソケット８６に連結されるワーク等の形状や要求される出力性能等に容易に対応させることができる。

以上のように、本実施の形態では、圧力流体の供給作用下に軸方向に移動自在なピストン１２を有したシリンダ部１４と、前記シリンダ部１４に連結されピストンロッド２４から出力された直線方向への駆動力を回転方向へと変換して出力する回転ユニット部１６とを備え、前記ピストン１２の軸方向に沿った直線方向への駆動力を、前記回転ユニット部１６におけるボールねじ機構４８のボールねじ軸５０へと伝達することで複数のボール５２を介して回転ナット５４の回転方向への駆動力へと変換して出力できる。

すなわち、ボールねじ機構４８を有した回転ユニット部１６をシリンダ部１４の他端部に連結するという簡素な構成で、シリンダ部１４における直線方向（矢印Ａ、Ｂ方向）への駆動力を前記回転ユニット部１６において回転方向（矢印Ｃ、Ｄ方向）へと変換して出力可能とし、しかも、前記シリンダ部１４と前記回転ユニット部１６とを互いに着脱自在な構成としているため、前記シリンダ部１４及び／又は前記回転ユニット部１６を交換することで、要求される様々な駆動力の出力性能にも容易に対応させることが可能となる。

また、シリンダ部１４には、汎用の流体圧シリンダを用いることができるため、専用のシリンダを準備して用いる場合と比較し、その設計コスト及び製造コストを削減することが可能となる。

さらに、シリンダ部１４においてシリンダ室３４へと供給される圧力流体の圧力を適宜設定することで、回転ユニット部１６のソケット８６から出力される回転駆動力のトルクを自在に変更することが可能となる。

さらにまた、回転ユニット部１６において、例えば、ボールねじ軸５０における第１ねじ溝６８のねじ径、この第１ねじ溝６８に挿入されるボール５２の直径等を変更することで、ソケット８６から出力される回転駆動力のトルクを自在に変更することができる。さらに、ソケット８６を連結ロッド８４に対して形状の異なる別のソケットへと交換することで、このソケット８６に連結されるワーク等の形状、重量及び要求される出力性能等に容易に対応させることが可能となる。

またさらに、回転ユニット部１６におけるボールねじ軸５０の軸方向に沿った長さ、シリンダ部１４におけるピストン１２及びピストンロッド２４の軸方向に沿ったストローク量との組合せを適宜変更することで、前記回転ユニット部１６において一度に連続的に回転可能な回転数を自在に設定できる。

なお、本発明に係る回転ユニット及び該回転ユニットを備えたシリンダ装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…シリンダ装置 １２…ピストン
１４…シリンダ部 １６…回転ユニット部
１８…シリンダチューブ ２４…ピストンロッド
３４…シリンダ室 ４６…ボディ
４８…ボールねじ機構 ５０…ボールねじ軸
５２…ボール ５４…回転ナット
５６…ホルダ ８４…連結ロッド
８６…ソケット

Claims (4)

1. ボディと、
   前記ボディの内部に軸方向に沿って移動自在に設けられるボールねじ軸と、
   前記ボールねじ軸の外周側に複数のボールを介して螺合される回転体と、
   前記回転体の端部に着脱自在に連結される出力軸と、
   を備え、
   前記ボールねじ軸が軸方向に沿って移動することで前記回転体及び前記出力軸が回転することを特徴とする回転ユニット。
2. 請求項１記載の回転ユニットにおいて、
   前記出力軸は、前記回転体に対して螺合されることを特徴とする回転ユニット。
3. 請求項１又は２記載の回転ユニットを備えたシリンダ装置において、
   前記ボディの軸方向に沿った端部に連結され、圧力流体の供給されるシリンダ室を内部に有したシリンダチューブと、
   前記シリンダ室に沿って軸方向に移動自在に設けられるピストンと、
   一端部が前記ピストンに連結され、他端部が前記ボールねじ軸に連結されるピストンロッドと、
   を備え、
   前記シリンダ室への圧力流体の供給作用下に前記ピストン、前記ピストンロッド及び前記ボールねじ軸が軸方向に沿って一体的に移動することを特徴とする回転ユニットを備えたシリンダ装置。
4. 請求項３記載のシリンダ装置において、
   前記ボディと前記シリンダチューブとが締結部材を介して前記軸方向に着脱自在に設けられることを特徴とする回転ユニットを備えたシリンダ装置。

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