JP2024007062A - アクチュエータシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】外部からの力の方向に応じてバックドライブ力を変更できるアクチュエータシステムを提供する。【解決手段】モータ130と、出力部150と、モータの回転を出力部に駆動力として伝達すると共に、出力部に加えられる力を回転としてモータに伝達する伝達部140と、励磁状態で作動せず、無励磁状態で作動する無励磁作動ブレーキ170と、出力部に加えられる力に応じて伝達部を介してモータに伝達される回転のうち、一方向の回転のみを無励磁作動ブレーキに伝えるワンウェイクラッチ160と、モータの回転を制御するコントローラ120とを備え、コントローラ120は、モータの回転を制御する際に無励磁作動ブレーキを励磁状態にし、モータの回転を停止させた際に無励磁作動ブレーキを無励磁状態にする。【選択図】図1

Description

本発明は、アクチュエータシステムに関し、特に、バックドライブ力の調整についての新規な改良に関する。
アクチュエータは、ドア、ロボットの出力節等を被負荷体として駆動するアクチュエータシステムの駆動源として用いられている。アクチュエータシステムは、被負荷体に力を加えられると、その力をアクチュエータに伝達する性質を有している。
このように、アクチュエータシステムにおいて被負荷体に加えられる力をアクチュエータに伝達することは、バックドライブと呼ばれている。また、被負荷体からアクチュエータに力が伝達される状態において、被負荷体を動かすのに必要な力はバックドライブ力と呼ばれている。
特開2005-233343号公報
以上の特許文献1に開示された動力伝達装置、あるいは公知の各種のアクチュエータシステムにおいて、バックドライブが可能であるとしても、力の方向に応じてバックドライブ力を変えることはできなかった。
例えば、ドアを被負荷体として駆動するアクチュエータシステムにおいて、手動でドアを開く場合と手動でドアを閉じる場合とで、バックドライブ力は同じになっている。
例えば、防犯上の観点から、ドアを開閉するアクチュエータシステムにおいて、手動でドアを開くのに必要なバックドライブ力と手動でドアを閉じるに必要なバックドライブ力とを変えることで、手動でドアを閉じることはできるが、手動で開くことができないように構成できることが望ましい。
すなわち、アクチュエータにより被負荷体を駆動するアクチュエータシステムにおいて、外部からの力の方向に応じてバックドライブ力を変更できることが望まれていた。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、外部からの力の方向に応じてバックドライブ力を変更できるアクチュエータシステム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システムは、モータと、出力部と、モータの回転を出力部に駆動力として伝達すると共に、出力部に加えられる力を回転としてモータに伝達する伝達部と、励磁状態で作動せず、無励磁状態で作動する無励磁作動ブレーキと、出力部に加えられる力に応じて伝達部を介してモータに伝達される回転のうち、一方向の回転のみを無励磁作動ブレーキに伝えるワンウェイクラッチと、モータの回転を制御するコントローラと、を備え、コントローラは、モータの回転を制御する際に無励磁作動ブレーキを励磁状態にし、モータの回転を停止させた際に無励磁作動ブレーキを無励磁状態にする。
本発明に係るアクチュエータシステムにおいて、伝達部は、モータの回転を変速しつつ出力部に駆動力として伝達すると共に、出力部に加えられる力を変速しつつ回転としてモータに伝達することが望ましい。
本発明に係るアクチュエータシステムにおいて、出力部は、リニアアクチュエータであることが望ましい。
本発明に係るアクチュエータシステムにおいて、出力部は、ロータリアクチュエータであることが望ましい。
本発明に係るアクチュエータシステムにおいて、無励磁作動ブレーキにおける摩擦トルクを調整する調整部を更に備えることが望ましい。
この発明のアクチュエータシステムにおいて、出力部に加えられる力に応じてモータに伝達される回転のうち、第一方向の回転は非連結状態のワンウェイクラッチにより無励磁作動ブレーキに伝達されないが、第二方向の回転は連結状態のワンウェイクラッチを介して無励磁作動ブレーキに伝達される。そして、モータの回転制御時は励磁状態の無励磁作動ブレーキが作動せず、モータの回転停止時は無励磁状態の無励磁作動ブレーキが作動する。
よって、モータの回転停止時において、出力部に加えられる力に応じてモータに伝達される回転のうち、第一方向の回転は非連結状態のワンウェイクラッチにより無励磁作動ブレーキに伝達されないが、第二方向の回転は連結状態のワンウェイクラッチを介して作動中の無励磁作動ブレーキに伝達される。
このため、出力部に力を加えてモータを第一方向で回転させる場合のバックドライブ力を小さくし、出力部に力を加えてモータを第二方向で回転させる場合のバックドライブ力を大きくすることができる。この結果、アクチュエータシステムにおいて、外部から出力部に加えられる力の方向に応じてバックドライブ力を変更することができる。
実施の形態1に係るアクチュエータシステムの全体構成を示す断面図である。 実施の形態1に係るアクチュエータシステムにおいて、外部から加えられる力の伝達と制動状態を表すロードパスダイアグラムである。 実施の形態2に係るアクチュエータシステムの全体構成を示す断面図である。
以下、実施の形態1に係るアクチュエータシステム100について、図面を用いて説明する。
実施の形態1.
はじめに、実施の形態1に係るアクチュエータシステム100について、図1を参照して説明する。図1は、実施の形態1に係るアクチュエータシステム100の全体構成を示す断面図である。
[アクチュエータシステム100の構成]
アクチュエータシステム100は、主に、コントローラ120と、モータ130と、伝達部140と、出力部150と、ワンウェイクラッチ160と、無励磁作動ブレーキ170と、調整部180と、を備えている。
コントローラ120は、与えられる命令に応じてモータ130に駆動信号を供給し、モータ130の回転を制御する。コントローラ120は、モータ130の回転を制御する際に無励磁作動ブレーキ170を励磁状態にし、モータ130の回転を停止させた際に無励磁作動ブレーキ170を無励磁状態にする
モータ130は、コントローラ120から供給される駆動信号に応じて回転する。モータ130には、回転を出力する回転軸131が設けられている。回転軸131の一端は伝達部140に接続されており、回転軸131の他端はワンウェイクラッチ160を介して無励磁作動ブレーキ170に接続されている。
伝達部140は、モータ130の回転を出力部150に駆動力として伝達すると共に、出力部150に加えられる力を回転としてモータ130に伝達する。伝達部140は、必要に応じて、モータ130の回転を変速しつつ出力部150に駆動力として伝達すると共に、出力部150に加えられる力を変速しつつ回転としてモータ130に伝達する。伝達部140には、モータ130と出力部150との間で回転を伝達するために、ギア141,142a,142b,143が設けられている。
出力部150は、伝達部140から伝達される駆動力を直線運動として出力するリニアアクチュエータである。出力部150には、スクリュージャッキ151と、筒部152と、出力軸153とが設けられている。
スクリュージャッキ151は、伝達部140を介して与えられるモータ130からの回転に応じて回転するねじ軸151aと、回転せずにねじ軸151aの軸心方向に移動可能なナット部151bとにより構成されている。
スクリュージャッキ151は、ねじ軸151aの回転に応じてねじ軸151aの軸心方向に移動するナット部151bにより、筒部152及び出力軸153をトッププレート112に対して突出または退避するように駆動する。出力軸153は、筒部152の先端に設けられ、ロッドエンドベアリング等で構成されており、被負荷体を駆動する。
ワンウェイクラッチ160は、回転軸131と無励磁作動ブレーキ170との間に設けられている。ワンウェイクラッチ160は、出力部150に加えられる力に応じて、伝達部140を介してモータ130に伝達される回転のうち、一方向の回転のみを無励磁作動ブレーキ170に伝える。
すなわち、出力部150に加えられる力に応じて、伝達部140を介してモータ130に伝達される回転のうち、第一方向の回転は非連結状態のワンウェイクラッチ160により無励磁作動ブレーキ170に伝達されないが、第二方向の回転は連結状態のワンウェイクラッチ160を介して無励磁作動ブレーキ170に伝達される。
無励磁作動ブレーキ170は、ワンウェイクラッチ160を介して回転軸131に接続されている。無励磁作動ブレーキ170は、コントローラ120から励磁信号を供給されており、励磁状態においてブレーキとして作動せず、無励磁状態において回転軸131に対してブレーキとして作動する。
したがって、無励磁作動ブレーキ170は、モータ130の回転状態において励磁状態にあるためブレーキとして作動せず、モータ130の停止状態において無励磁状態にあるためブレーキとして作動する。
調整部180は、フリクショントルク調整ねじ等で構成されており、無励磁作動ブレーキ170におけるブレーキの摩擦トルクを調整する。
アクチュエータシステム100は、ベースプレート111と、トッププレート112と、筒状の第1ハウジング113とにより、各部を収容するように構成されている。
モータ130は、第2ハウジング114を介してベースプレート111に接続されている。
出力部150の基部は、軸受を介して、第3ハウジング115により保持されると共に、第3ハウジング115を介してベースプレート111に接続されている。
出力部150の筒部152は、第4ハウジング116の軸心方向に移動可能な状態で、トッププレート112と、トッププレート112及び第3ハウジング115の間に設けられた第4ハウジング116とに保持されている。
取付部117は、ベースプレート111に設けられたロッドエンドベアリング等で構成されており、アクチュエータシステム100を構造物に取り付け可能に構成されている。
[アクチュエータシステム100の通常動作]
以上のように構成されたアクチュエータシステム100において、モータ130は、コントローラ120から供給される駆動信号に応じて回転する。回転軸131から出力されるモータ130の回転は、伝達部140のギア141,142a,142b,143を介して、スクリュージャッキ151のねじ軸151aに伝達される。スクリュージャッキ151は、ねじ軸151aの回転に応じてねじ軸151aの軸心方向に移動するナット部151bにより、筒部152及び出力軸153をトッププレート112に対して突出または退避するように駆動する。出力軸153は、取付部117に取り付けられた構造物等を基準として、ドア、ロボットの出力節等を被負荷体として駆動する。
[アクチュエータシステム100におけるバックドライブ力]
ここで、アクチュエータシステム100におけるバックドライブ力の伝達経路について図2を用いて詳細に説明する。図2は、実施の形態1に係るアクチュエータシステム100において、外部から加えられる力の伝達と制動状態を表すロードパスダイアグラムである。
前提として、アクチュエータシステム100は、コントローラ120からの指示に応じて、モータ130の停止状態になっているとする。
S1において、リニアアクチュエータである出力部150に、外部から直線的な力が加わる。この力は、図示しない被負荷体を介して加わるものであってもよいし、出力軸153に直接加わるものであってもよい。
出力部150に外部から力が加わると、加わる力の方向に応じて、出力軸153と筒部152は、トッププレート112に対して退避または突出するように動く。この筒部152の退避または突出する動きに伴い、スクリュージャッキ151ではナット部151bの直線運動に応じてねじ軸151aが回転する。そして、状態はS2へと進む。
S2において、伝達部140は、各ギアにより変速しつつ、ねじ軸151aの回転をモータ130の回転軸131に伝達する。そして、状態はS3へと進む。
S3において、モータ130は、回転軸131の一端に伝達された回転を、回転軸131の他端に接続されたワンウェイクラッチ160に伝える。そして、状態はS4へと進む。
S4において、回転軸131に伝達された第一方向の回転により、ワンウェイクラッチ160は非連結状態になる。すなわち、ワンウェイクラッチ160は、外部から出力部150に加えられる力に応じてモータ130に伝達される第一方向の回転を、非連結状態によって、無励磁作動ブレーキに伝達しない。ここで、状態はS5へと進む。
S5において、外部から出力部150に加えられる力に対して、ワンウェイクラッチ160の非連結状態により、無励磁作動ブレーキ170は作動せず非制動状態になる。
よって、伝達部140の変速比及びモータ130のコギングトルクの積と、外部から出力部150に加えられる力との差に応じて、出力部150は動く。
一方、S4において、回転軸131に伝達された第二方向の回転により、ワンウェイクラッチ160は連結状態になる。すなわち、ワンウェイクラッチ160は、外部から出力部150に加えられる力に応じてモータ130に伝達される第二方向の回転を、連結状態によって、無励磁作動ブレーキに伝達する。ここで、状態はS6へと進む。
S6において無励磁作動ブレーキ170は、無励磁状態であり、ブレーキとして作動している。ここで、状態はS7へと進む。
S7において、外部から出力部150に加えられる力に応じてモータ130に伝達される第二方向の回転は、連結状態のワンウェイクラッチを介して、作動中の無励磁作動ブレーキに伝達される。
よって、外部からの力を加えられた出力部150は、無励磁作動ブレーキ170の摩擦による制動によって動きにくい状態になる。なお、無励磁作動ブレーキ170の制動時における摩擦トルクは、調整部180により調整可能である。
以上のようにして、アクチュエータシステム100は、モータ130の回転停止時において、外部から出力部150に加えられる力の方向に応じてバックドライブ力を変更することができる。
すなわち、出力部150に力を加えてモータ130を第一方向で回転させる場合のバックドライブ力を小さくし、出力部150に力を加えてモータ130を第二方向で回転させる場合のバックドライブ力を大きくすることができる。
ここで、ワンウェイクラッチ160における連結/非連結の回転方向を変更することにより、出力部150に加えられる力の方向とバックドライブ力の大小を切り替えることが可能である。
そして、調整部180により無励磁作動ブレーキ170の摩擦による制動を調整することが可能になる。このため、出力部150に力を加えてモータ130を第一方向で回転させる場合のバックドライブ力を小さくし、出力部150に力を加えてモータ130を第二方向で回転させる場合のバックドライブ力を大きくすると共に調整可能とすることができる。
実施の形態2.
つぎに、実施の形態2に係るアクチュエータシステム100について、図3を参照して説明する。図3は、実施の形態2に係るアクチュエータシステム100の全体構成を示す断面図である。
[アクチュエータシステム100の構成]
図3において、図1と同一物には同一番号を付すことで、重複した説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
アクチュエータシステム100は、主に、コントローラ120と、モータ130と、伝達部140と、出力部150と、ワンウェイクラッチ160と、無励磁作動ブレーキ170と、調整部180と、を備えている。
アクチュエータシステム100において、各部は、トッププレート112と、ギアケース140GCと、モータケース130MCとに収容されている。ここで、トッププレート112は、取付部117を備えており、構造物に取り付け可能に構成されている。ギアケース140GCは、伝達部140の各ギアを収容する。モータケース130MCは、コントローラ120、モータ130、ワンウェイクラッチ160、無励磁作動ブレーキ170、及び調整部180を収容する。
アクチュエータシステム100において、出力部150は、伝達部140から伝達される駆動力を回転運動として出力するロータリアクチュエータである。伝達部140は、ギアケース140GCに収容され、遊星ギアにより構成されている。伝達部140は、モータ130の回転軸131の回転を各ギアにより変速しつつ、出力部150に伝達する。また、伝達部140は、外部から出力部150に加えられる回転による力を、各ギアを介して、回転軸131に伝達する。
実施の形態2のアクチュエータシステム100は、モータ130からの駆動力を出力部150から回転運動として出力する以外は、実施の形態1のアクチュエータシステム100と同様に動作する。
すなわち、出力部150に力を加えてモータ130を第一方向で回転させる場合のバックドライブ力を小さくし、出力部150に力を加えてモータ130を第二方向で回転させる場合のバックドライブ力を大きくすることができる。したがって、アクチュエータシステム100は、モータ130の回転停止時において、外部から出力部150に加えられる回転の方向に応じて、バックドライブ力を変更することができる。
[実施の形態により得られる効果]
実施の形態1及び2に説明したアクチュエータシステム100によれば、以下のような効果を奏することができる。
アクチュエータシステム100において、出力部150に加えられる力に応じてモータ130に伝達される回転のうち、第一方向の回転は非連結状態のワンウェイクラッチ160により無励磁作動ブレーキ170に伝達されないが、第二方向の回転は連結状態のワンウェイクラッチ160を介して無励磁作動ブレーキ170に伝達される。そして、モータ130の回転制御時は励磁状態の無励磁作動ブレーキ170が作動せず、モータ130の回転停止時は無励磁状態の無励磁作動ブレーキ170が作動する。
よって、モータ130の回転停止時において、出力部150に加えられる力に応じてモータ130に伝達される回転のうち、第一方向の回転は、非連結状態のワンウェイクラッチ160により無励磁作動ブレーキ170に伝達されない。モータ130の回転停止時において、出力部150に加えられる力に応じてモータ130に伝達される回転のうち、第二方向の回転は、連結状態のワンウェイクラッチ160を介して、作動中の無励磁作動ブレーキ170に伝達される。
このため、出力部150に力を加えてモータ130を第一方向で回転させる場合のバックドライブ力を小さくし、出力部150に力を加えてモータ130を第二方向で回転させる場合のバックドライブ力を大きくすることができる。この結果、アクチュエータシステム100において、外部から出力部150に加えられる力の方向に応じてバックドライブ力を変更することができる。
アクチュエータシステム100において、伝達部140は、モータ130の回転を変速しつつ出力部150に駆動力として伝達すると共に、出力部150に加えられる力を変速しつつ回転としてモータ130に伝達する。これにより、外部から出力部150に加えられる力を回転としてモータ130に伝達すると共に、モータ130に伝達された回転の方向に応じて、バックドライブ力を変更することができる。
アクチュエータシステム100において、出力部150はリニアアクチュエータであるため、出力部150から直線運動として力を外部に出力することが可能であり、外部からの直線的な力をバックドライブ力として扱うことが可能になる。
アクチュエータシステム100において、出力部150はロータリアクチュエータであるため、出力部150から回転として力を外部に出力することが可能であり、外部からの回転による力をバックドライブ力として扱うことが可能になる。
無励磁作動ブレーキ170における摩擦トルクを調整する調整部180を更に備えることにより、無励磁作動ブレーキ170の摩擦による制動を調整することが可能になる。このため、出力部150に力を加えてモータ130を第一方向で回転させる場合のバックドライブ力を小さくし、出力部150に力を加えてモータ130を第二方向で回転させる場合のバックドライブ力を大きくすると共に調整可能とすることができる。
[その他の実施形態]
実施形態1において、伝達部140に変速ギアを設けず、ダイレクトドライブ形式により、モータ130の回転軸131をねじ軸151aに直結することが可能である。この場合、モータ130の回転軸131とねじ軸151aとが伝達部140を構成することになる。同様に、実施形態2において、伝達部140に変速ギアを設けず、モータ130の回転軸131を、出力部150に直結することが可能である。この場合、モータ130の回転軸131と出力部150とが伝達部140を構成することになる。いずれの場合も、伝達部140は直結状態でよいため、機械的な構成を簡素化することができる。
実施の形態1及び実施の形態2において、コントローラ120をモータ130等から離れた位置に配置することが可能である。
実施形態1及び2のアクチュエータシステム100は、以下のような分野での利用が可能である。
・利用例1
アクチュエータシステム100により開閉駆動されるドア、扉、またはシャッター等(以下、「ドア等」と呼ぶ)について、モータ130による駆動を行わない期間において、防犯のため、ドア等を閉じる方向にはワンウェイクラッチ160の非連結によりバックドライブ力を小さく設定して手動で閉じることを容易にすると共に、ドア等を開く方向にはワンウェイクラッチ160の連結と無励磁作動ブレーキ170の作動とによりバックドライブ力を大きく設定して手動で開きにくい状態にすることができる。なお、モータ130による駆動を行う際は、無励磁作動ブレーキ170は作動しないため、アクチュエータシステム100の動作に何の影響もない。
・利用例2
アクチュエータシステム100により駆動される昇降装置について、モータ130による駆動を行わない期間において、荷物を下げる方向にはワンウェイクラッチ160の連結と無励磁作動ブレーキ170の作動とによりバックドライブ力を大きく設定して下降を防止して高さを維持できるようにし、荷物を上げる方向にはワンウェイクラッチ160の非連結によりバックドライブ力を小さく設定して手動で上げることを容易に設定できる。なお、モータ130による駆動を行う際は、無励磁作動ブレーキ170は作動しないため、アクチュエータシステム100の動作に何の影響もない。
更に、調整部180により無励磁作動ブレーキ170の摩擦による制動を調整し、規定重量を超える過積載の場合には荷物を下まで落ちるように設定することができる。これにより、昇降装置の破損を防止できる。
・利用例3
アクチュエータシステム100により駆動され、開いた状態または閉じた状態のドアの保持を別途設けられた空圧バネによって行われる、上下に開閉する航空機の貨物用ドアを想定する。この貨物用ドアにおいて、ワンウェイクラッチ160の連結と無励磁作動ブレーキ170の作動とにより、状態保持用の空圧ばねが故障した場合でも、バックドライブ力を大きく設定しておくことで、開いた状態のドアが自重で落下することを回避できる。このような場合に、ワンウェイクラッチ160の非連結により、バックドライブ力を小さく設定して、手動でドアを上げることを容易に設定できる。なお、モータ130による駆動を行う際は、無励磁作動ブレーキ170は作動しないため、アクチュエータシステム100の動作に何の影響もない。
100 アクチュエータシステム、111 ベースプレート、112 トッププレート、113 第1ハウジング、114 第2ハウジング、115 第3ハウジング、116 第4ハウジング、117 取付部、120 コントローラ、130 モータ、130MC モータケース、131 回転軸、140 伝達部、140GC ギアケース、141,142a,142b,143 ギア、150 出力部、151 スクリュージャッキ、151a ねじ軸、151b ナット部、152 筒部、153 出力軸、160 ワンウェイクラッチ、170 無励磁作動ブレーキ、180 調整部。

Claims (5)

  1. モータ(130)と、
    出力部(150)と、
    前記モータ(130)の回転を前記出力部(150)に駆動力として伝達すると共に、前記出力部(150)に加えられる力を回転として前記モータ(130)に伝達する伝達部(140)と、
    励磁状態で作動せず、無励磁状態で作動する無励磁作動ブレーキ(170)と、
    前記出力部(150)に加えられる力に応じて前記伝達部(140)を介して前記モータ(130)に伝達される回転のうち、一方向の回転のみを前記無励磁作動ブレーキ(170)に伝えるワンウェイクラッチ(160)と、
    前記モータ(130)の回転を制御するコントローラ(120)と、を備え、
    前記コントローラ(120)は、前記モータ(130)の回転を制御する際に前記無励磁作動ブレーキ(170)を励磁状態にし、前記モータ(130)の回転を停止させた際に前記無励磁作動ブレーキ(170)を無励磁状態にする、
    アクチュエータシステム。
  2. 前記伝達部(140)は、モータ(130)の回転を変速しつつ出力部(150)に駆動力として伝達すると共に、出力部(150)に加えられる力を変速しつつ回転としてモータ(130)に伝達する、
    請求項1に記載のアクチュエータシステム。
  3. 前記出力部(150)は、リニアアクチュエータである、
    請求項1または2に記載のアクチュエータシステム。
  4. 前記出力部(150)は、ロータリアクチュエータである、
    請求項1または2に記載のアクチュエータシステム。
  5. 前記無励磁作動ブレーキ(170)における摩擦トルクを調整する調整部(180)を更に備える、
    請求項1または2に記載のアクチュエータシステム。
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