JP3852425B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明に係るリニアアクチュエータは、例えば介護用ベッド、昇降テーブル、リフター、車載ジャッキ等、各種機械装置に組み込んだ状態で使用する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば介護用ベッドにはリニアアクチュエータを組み込み、手動ハンドル或は電動モータを駆動源として、被介護者を寝かせたベッドの角度調節等を自在としている。この様なリニアアクチュエータには、次の(1)(2)の機能が要求される。
(1) 手動ハンドル或は電動モータの回転運動を、出力軸の軸方向運動（直線運動）に変換する機能。
(2) 手動ハンドル或は電動モータの停止時に、スラスト方向に加わる荷重に拘らず、出力軸が変位しない様にする機能。
この(1)(2)の様な機能を得るべく、従来から次の▲１▼〜▲７▼に記載された様なリニアアクチュエータが知られている。
【０００３】
▲１▼ 井沢実著、工業調査会発行の「ボールねじとその応用技術」
この刊行物の第１３４〜１３６頁には、ボールねじにより回転運動を直線運動に変換するアクチュエータに関する技術、並びに次の(a) 〜(d) の何れかにより、ボールねじの逆転防止を図る技術が記載されている。
(a) 駆動モータにブレーキ作用を持たせる。
(b) 駆動歯車に逆転不能なウォームギヤを使用する。
(c) 駆動歯車軸にブレーキ装置を設ける。
(d) 一方向クラッチ又は両方向クラッチを使用する。
【０００４】
▲２▼ トムソン−サギノー社が発行しているリニアアクチュエータのカタログ
▲３▼ 特開昭６３−４７５５７号公報
▲４▼ 特開昭５０−３１５５３号公報
これらの刊行物には、ボールねじその他の送りねじにより回転運動を直線運動に変換するアクチュエータに関する技術、並びにばねクラッチにより送りねじの逆転防止を図る技術が記載されている。
【０００５】
▲５▼ 特開昭６１−３８８９２号公報
この刊行物には、ボールねじにより回転運動を直線運動に変換するアクチュエータに関する技術、並びにソレノイドへの通電に基づいて断接される電動式のクラッチ及びブレーキにより駆動軸の回転を規制する技術が記載されている。
【０００６】
▲６▼ 実開昭６２−６３４５３号公報
この刊行物には、ボールねじにより回転運動を直線運動に変換するアクチュエータに関する技術、並びにディスク状に形成された抵抗体及び一方向クラッチにより、外部荷重に基づく復帰時の衝撃を緩和する技術が記載されている。
【０００７】
▲７▼ 実開昭６２−６３４５４号公報
この刊行物には、ボールねじにより回転運動を直線運動に変換するアクチュエータに関する技術、並びにこのボールねじに予圧を付与する事により、このボールねじに抵抗を付加し、逆転時の速度を調節する技術が記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記▲１▼〜▲７▼に記載した各技術は、それぞれ次に述べる様な解決すべき問題点がある。
▲１▼に記載された従来技術の場合
先ず、(a) の様に、駆動モータにブレーキ作用を持たせる場合には、駆動モータのコスト及び重量が嵩む。又、(b) の様に駆動歯車に逆転不能なウォームギヤを使用する場合には、ウォームギヤのリード角を小さくしない限り、確実な逆転防止を図れない。一方、リード角を小さくすると、噛合効率が悪くなって、十分な動作速度を確保する為には高速で回転する大型の電動モータを使用する必要が生じる。又、手動ハンドルによりアクチュエータを駆動する場合には、この手動ハンドルを多数回回転させなければならず、操作が面倒である。更に、(c) の様に駆動歯車軸にブレーキ装置を設けたり、或は(d) の様に一方向クラッチ又は両方向クラッチを使用する構造の場合には、単独で十分な逆転防止を図ろうとすると、これらブレーキ装置やクラッチとして大型のものを使用しなければならず、装置全体が大型化する。
▲２▼▲３▼▲４▼に記載された従来技術の場合
これらの場合には、手動ハンドル或は電動モータにより送りねじ機構を介して出力軸を変位させる際に、ばねクラッチが若干の抵抗となって効率を低下させるだけでなく、確実な逆転防止効果を得る為には、ばねクラッチとして相当に大型のものを使用しなければならない。
▲５▼に記載された従来技術の場合
この場合には、高価な部品を使用する為にリニアアクチュエータ自体が高価になるだけでなく、手動ハンドル或は電動モータと連動させて電動式のクラッチ及びブレーキを制御する制御回路が必要になる等、装置全体が高価になる事が避けられない。
▲６▼に記載された従来技術の場合
この場合には、ディスク状に形成された抵抗体及び一方向クラッチの設置スペースが嵩み、装置全体が大型化する。しかも、復帰時の衝撃緩和を目的としている為、確実な逆転防止効果を得る事はできない。
▲７▼に記載された従来技術の場合
この場合には、逆転時の速度を調節する事はできても、十分な逆転防止を図る事は不可能である。
本発明は、この様な不都合を解消すべく発明したものである。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
本発明のリニアアクチュエータは、ハウジングと、回転軸と、ボールナットと、出力軸と、間筒と、転がり軸受と、摩擦プレートと、一方向クラッチとを備える。
このうち、上記回転軸は、上記ハウジングの内側に、回転のみ自在に支持している。
又、上記ボールナットは、上記回転軸のボールねじ部に複数のボールを介して螺合している。
又、上記出力軸は、上記ボールナットにその基端部を結合固定している。
又、上記間筒は、上記回転軸の周囲に、この回転軸に対する回転を自在として支持されている。
又、上記転がり軸受は、上記ハウジングと上記回転軸との間に加わるスラスト荷重の作用方向に関して、これら間筒とハウジングとの間に設けられ、このスラスト荷重を支承しつつこの間筒の回転を許容する。
又、上記摩擦プレートは、上記間筒の一部と上記回転軸に固定した間座との間で軸方向に亙り挟持されている。
更に、上記一方向クラッチは、上記間筒の外周面と上記ハウジングの内周面との間に設けて、上記スラスト荷重に基づいて上記間筒が回転しようとする際にロックする。
【００１０】
【作用】
上述の様に構成される本発明のリニアアクチュエータは、回転軸に対してスラスト荷重が加わる状態で使用される。この様に組み付けられた状態で本発明のリニアアクチュエータは、次の様に作用する事により、回転軸に付与された回転力の方向に基づいて、出力軸を軸方向に変位させる。
【００１１】
先ず、上記回転軸を所定方向に回転させ、上記ボールナットを上記スラスト荷重に抗して変位させる際の作用に就いて説明する。この場合には、回転軸が所定方向に回転する事により、一方向クラッチはロックする事なく、間筒はハウジングに対して回転自在である。従ってこの状態では、間筒と摩擦プレートと間座とは回転軸と共に回転し、これら各部材の存在がこの回転軸の回転に対して抵抗にならない。この結果、上記駆動軸の正転に伴って上記回転軸が、所定方向に円滑に回転する。そして、この回転軸のボールねじ部に螺合したボールナットが、上記スラスト荷重に抗して軸方向に変位する。この際、逆転防止機構の存在が出力軸を変位させる事に対して抵抗とはならない。
【００１２】
次に、上記回転軸を停止させた状態では、上記スラスト荷重に基づいてボールナットから複数のボールを介してボールねじ部に加わる力により、上記回転軸が上記所定方向とは反対方向に回転する傾向となる。同時に上記間筒が、この回転軸と同方向に回転する傾向となる。この結果、上記一方向クラッチがロックし、上記間筒がハウジングに対して回転しなくなる。この状態では、上記回転軸を回転させる為には、上記摩擦プレートの側面と相手面とを滑らせる必要がある。従って、これら摩擦プレートの側面と相手面との間の摩擦係数を設計的に定められる所望値に規制する事により、上記スラスト荷重に基づいて上記回転軸が回転する事を防止できる。
【００１３】
更に、上記回転軸を上記所定方向とは反対方向に回転させた状態では、上記回転軸に、上記スラスト荷重に基づいて加わるトルクに加えて、上記入力部から入力されるトルクが、上記反対方向に加わる。従って上記回転軸は、上記摩擦プレートの側面と相手面との間に作用する摩擦力に抗して回転する。この際、この摩擦力が上記回転軸の回転に対する抵抗となるので、この回転軸が急激に回転する事が防止される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１〜３は、本発明の実施の形態の１例を示している。このリニアアクチュエータは、例えば手動ハンドルを操作する事により背もたれの角度を調節する介護用ベッドの角度調節装置の様に、使用時に圧縮方向のスラスト荷重が加わる部分に組み付けられる。ハウジング１は、例えばアルミニウム合金をダイキャスト成形する事により造られる。このハウジング１の基端部（図１〜２の左端部）の直径方向反対位置に設けられた１対のねじ孔２、２には、それぞれ図示しないボルトの端部を螺合させて、上記ハウジング１を上記介護用ベッドのフレーム等に、揺動自在に支持する。
【００１５】
この様なハウジング１の内側には回転軸３の基端部（図１〜２の左端部）を、深溝型の玉軸受４により、回転のみ自在に支持している。この玉軸受４は、上記回転軸３に加わるラジアル荷重の他、上記圧縮方向のスラスト荷重も支承する。この為、上記玉軸受４を構成する外輪５の軸方向片端面（図１〜２の左端面）は、上記ハウジング１の内周面に止着した止め輪６に突き当てている。
【００１６】
又、上記回転軸３の基端で上記玉軸受４から突出した部分には、自在継手７を構成する一方（図１の右方）のヨーク８を、スプリングピン９により結合固定している。そして、上記自在継手７を構成する他方（図１の左方）のヨーク１０に、入力部である手動ハンドル１１の端部を結合している。この手動ハンドル１１は、リニアアクチュエータを伸縮させる際に、作業者が手で回転させる。
【００１７】
一方、上記回転軸３の基端部を除く部分には、断面が円弧形の螺旋溝を形成する事により、ボールねじ部１２としている。そしてこのボールねじ部１２の周囲にボールナット１３を、複数のボール１４、１４を介して螺合させている。そしてこのボールナット１３の先端部（図１〜２の右端部）に形成した結合筒部１５に、円筒状の出力軸１６の基端部（図１〜２の左端部）を螺合固定している。又、上記ボールナット１３及び出力軸１６の周囲は、テーパ円筒状のカバー１７により覆っている。尚、上記出力軸１６及びボールナット１３は、この出力軸１６の先端部（図１の右端部）を介護用ベッドの背もたれ部分等の所定部分に結合する事により、回転防止が図られる。従って、リニアアクチュエータの組み付け状態では、上記ボールナット１３は上記回転軸３の周囲に、この回転軸３の軸方向（図１〜２の左右方向）に亙る変位のみを自在に支持される。尚、上記カバー１７は、合成樹脂、或は金属により造られており、その基端部（図１〜２の左端部）内周面に形成された突条１８を前記ハウジング１の外周面に形成した凹溝１９に係止し、更にバンド２０で締め付ける事により、上記ハウジング１に結合固定している。
【００１８】
又、前記回転軸３の一部で上記ボールねじ部１２の基端部分（図１〜２の左端部分）には、このボールねじ部１２側が大径となった段部２１を形成している。そして、この段部２１に、円輪形の間座２２の内周縁部に形成した円筒部２３の軸方向片面（図１〜２の右側面）を突き当てている。従って、上記回転軸３に図１〜２の左方向に加わる圧縮スラスト荷重は、上記間座２２に伝達される。又、この間座２２の内周縁は上記回転軸３の外周面に、締まり嵌めにより嵌合しているか、或は非円形周面同士で嵌合している。従って上記間座２２は、上記回転軸３と共に回転する。
【００１９】
又、上記回転軸３の一部で、前記ヨーク８の設置部分と上記間座２２との間部分には、滑り軸受２４を外嵌している。前記玉軸受４を構成する内輪２５は、この滑り軸受２４の端部に外嵌している。又、この滑り軸受２４の残り部分の周囲には、円筒状の間筒２６を、回転自在に支持している。そして、この間筒２６の外周面と前記ハウジング１の内周面との間に、一方向クラッチの一種であるローラクラッチ２７を設けている。即ち、内周面をカム面とした外輪２８を上記ハウジング１に内嵌固定し、この外輪２８がハウジング１に対して回転しない様にしている。そして、この外輪２８の内周面と上記間筒２６の外周面との間に、複数本のローラ２９、２９を設けている。周知の様にこれら各ローラ２９、２９は、回転しない保持器との間に設けられたばねにより、円周方向一方向に弾性的に押圧している。従って、上記間筒２６が所定方向に回転する場合には、上記各ローラ２９、２９が上記カム面に食い込む事なく、この間筒２６の回転を許容する。これに対して、上記間筒２６が上記所定方向とは反対方向に回転すると、上記各ローラ２９、２９が上記カム面に食い込み、上記間筒２６がハウジング１の内側で回転しなくなる。又、特許請求の範囲に記載した転がり軸受である、上記玉軸受４を構成する上記内輪２５の軸方向端面は、上記間筒２６の軸方向端面に突き当てている。要するに、上記玉軸受４は、上記ハウジング１と上記回転軸３との間に加わるスラスト荷重の作用方向に関して、このハウジング１と上記間筒２６との間に設けている。
【００２０】
更に、上記間筒２６の軸方向一端部（図１〜２の右端部）外周面には、外向フランジ状の鍔部３０を形成し、この鍔部３０の片面（図１〜２の右側面）を、上記間筒２６の軸方向一端面としている。そして、この鍔部３０の片面と上記間座２２との間に、摩擦プレート３１を挟持している。この摩擦プレート３１は、少なくとも軸方向両側面を摩擦係数の大きな材料により造られて、相手面である前記間座２２の片面（図１〜２の左面）及び上記間筒２６の軸方向一端面である上記鍔部３０の片面と摩擦係合する。但し、摩擦係合状態を一定にする為、間座２２と間筒２６とが相対回転した状態では、何れか一方の摩擦係合面が摺動（相対変位）し、他方の摩擦係合面が相対変位しない様にする。従って、一方の対向面（例えば、間座２２の片面と摩擦プレート３１の片面）は接着しても良い。この場合、接着する側の面の摩擦係数は特に問わない事は勿論である。
【００２１】
上述の様に構成される本発明のリニアアクチュエータは、前述の様に、前記ハウジング１の基端部に形成したねじ孔２、２に螺合したボルトにより、このハウジング１を揺動自在に支持する。又、前記出力軸１６の先端部に形成した変位側取付部３２を変位軸に、それぞれ枢支する。この変位軸は上記ボルトに近づく方向に変位する傾向となっているので、この本発明のリニアアクチュエータは、上記出力軸１６に圧縮方向のスラスト荷重が加わる状態で使用される。この様に組み付けられた状態で本発明のリニアアクチュエータは、次の様に作用する事により、前記手動ハンドル１１の回転方向に基づいて上記出力軸１６を軸方向に亙り変位させる。
【００２２】
先ず、上記手動ハンドル１１を所定方向に回転させ、上記出力軸１６を上記スラスト荷重に抗し変位させる事により、リニアアクチュエータを伸長させる際の作用に就いて説明する。この場合には自在継手７を介して回転軸３が所定方向に回転し、ローラクラッチ２７はロックする事なく、間筒２６はハウジング１に対して回転自在である。従ってこの状態では、間筒２６と摩擦プレート３１と間座２２とは回転軸３と共に回転し、これら各部材２６、３１、２２の存在がこの回転軸３の回転に対し抵抗とはならない。又、ローラクラッチ２７はラジアルニードル軸受の如く作用して、上記間筒２６の回転を許容する。従って、一方向クラッチであるローラクラッチ２７の存在も、回転軸３の回転に対し抵抗とはならない。
【００２３】
この結果、上記手動ハンドル１１の回転に伴って上記回転軸３が、所定方向に円滑に回転する。そして、この回転軸３のボールねじ部１２に螺合したボールナット１３が、このボールねじ部１２の先端方向（図１〜２の右方向）に変位し、上記出力軸１６を上記スラスト荷重に抗して変位させる。この際、上述の様に、逆転防止機構を構成する上記間筒２６と摩擦プレート３１と間座２２とローラクラッチ２７との存在が、出力軸１６を変位させる事に対して抵抗とはならない。従って、上記手動ハンドル１１の駆動力は、上記出力軸１６を変位させる事に有効に使われる。この結果、作業者が手動ハンドル１１に加える力を徒に大きくしなくても、十分にリニアアクチュエータを伸長させる事ができる。
【００２４】
次に、上記手動ハンドル１１を停止させた状態では、上記スラスト荷重に基づいて出力軸１６からボールナット１３、複数のボール１４、１４を介してボールねじ部１２に加わる力により、上記回転軸３が上記所定方向とは反対方向に回転する傾向となる。同時に上記間筒２６が、この回転軸３と同方向に回転する傾向となる。この結果、上記ローラクラッチ２７がロックし、上記間筒２６がハウジング１に対して回転しなくなる。この状態では、上記回転軸３を回転させる為には、例えば上記摩擦プレート３１の側面と相手面である前記鍔部３０の片面とを滑らせる必要がある。従って、これら摩擦プレート３１の側面と鍔部３０の片面との間の摩擦係数を設計的に定められる所望値に規制する事により、上記スラスト荷重に基づいて上記回転軸３が回転する事を防止できる。
【００２５】
更に、上記手動ハンドル１１を、上記所定方向とは反対方向に回転させた状態で上記回転軸３には、上記スラスト荷重に基づいて加わるトルクに加えて、上記手動ハンドル１１から自在継手７を介して伝達されるトルクが、上記反対方向に加わる。従って上記手動ハンドル１１は、上記摩擦プレート３１の側面と鍔部３０の片面との間に作用する摩擦力に抗して回転する。この際、この摩擦力が上記手動ハンドル１１の回転に対する抵抗となるので、この手動ハンドル１１の回転が急激に行なわれる事が防止される。従って、上記摩擦プレート３１の側面と鍔部３０の片面との間の摩擦係数を適正値にすれば、リニアアクチュエータの伸長だけでなく収縮を円滑に行なわせる事ができる。
【００２６】
上記摩擦プレート３１の側面と鍔部３０の片面との間の摩擦係数の設定方法は次の通りである。尚、以下の説明で使用する符号の意味は、それぞれ次の通りである。又、この説明に使用する図３では、間筒２６を厚肉円筒状に形成しているが、この間筒２６の作用自体は、図１〜２に示したものと同様である。
Ｆ ： 出力軸１６に圧縮方向に加わるスラスト荷重
μ ： 摩擦プレート３１の側面と間筒２６の軸方向一端面（図１〜２に於ける鍔部３０の片面）との間の摩擦係数
Ｄ ： 摩擦プレート３１の側面と間筒２６の軸方向一端面（図１〜２に於ける鍔部３０の片面）との接触部の平均直径
Ｌ ： ボールねじのリード
Ｔ ： リニアアクチュエータを伸長させる為に、回転軸３に加えるべき作動トルク
Ｔ´： 圧縮方向のスラスト荷重に基づいて回転軸３に加わるトルク
Ｔb ： 摩擦プレート３１の側面と間筒２６の軸方向一端面（図１〜２に於ける鍔部３０の片面）との間の摩擦に基づくブレーキトルク
η ： 手動ハンドル１１の正転時に於けるボールねじの伝達効率
η´： 手動ハンドル１１の逆転時に於けるボールねじの伝達効率
【００２７】
Ｔ＝（Ｆ・Ｌ）／（２・π・η） −−− （１）
であり、
Ｔ´＝（Ｆ・Ｌ・η´）／（２・π） −−− （２）
であり、
Ｔb ＝（μ・Ｆ・Ｄ）／２ −−− （３）
である。
手動ハンドル１１から手を離した状態でも、リニアアクチュエータの全長がスラスト荷重により縮まらない為には、
Ｔb ＞Ｔ´ −−− （４）
である必要がある。又、作業者が手動ハンドル１１に加えるトルクを小さく抑えるにしても、リニアアクチュエータの全長を収縮させる際に手動ハンドル１１に加えるべきトルクを、伸長させる際に手動ハンドル１１に加えるべきトルク以下にする事が好ましい。又、リニアアクチュエータの収縮時に手動ハンドル１１に加えるべきトルクは、（Ｔb −Ｔ´）に比例する。従って、
Ｔ≧（Ｔb −Ｔ´） −−− （５）
である事が好ましい。（４）（５）式をまとめると、
Ｔ＋Ｔ´≧Ｔb ＞Ｔ´ −−− （６）
となる。更にこの（６）式に前記（１）〜（３）式を代入すると、
（Ｌ／π・Ｄ）・｛η´＋（１／η）｝≧μ＞（Ｌ・η´）／（π・Ｄ）
例えば、介護用ベッドに組み込まれるリニアアクチュエータの場合には、Ｌ≒５mm、Ｄ≒２０mm、η≒η´≒０．９程度のものが造られる。この条件を上記（７）式に代入すると、
０．１６≧μ＞０．０７ −−− （８）
とする事により、手動ハンドル１１に加えるべきトルクを小さくして、しかもこの手動ハンドル１１から手を離した状態で収縮する事のないリニアアクチュエータを構成できる事が分かる。
【００２８】
尚、図１〜３の例は、リニアアクチュエータに圧縮方向の荷重が加わる場合を示しているが、構成各部材の軸方向に亙る配列順序を図１〜３とは逆にする事により、引っ張り方向に亙るスラスト荷重が加わる部分にも使用できる。更には、軸方向に亙る配列順序を互いに逆方向にした構成各部材を２組設ける事により、両方向のスラスト荷重が加わる部分にも使用できる。又、伸縮作業を電動式に行なわせる事もできる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のリニアアクチュエータは以上に述べた通り構成され作用するので、小型且つ軽量で、しかも回転軸を回転させる為に要する力が小さくて済むリニアアクチュエータを安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例を示す断面図。
【図２】図１のＡ部拡大図。
【図３】摩擦係数の設定方法を説明する為の部分断面図。
【符号の説明】
１ ハウジング
２ ねじ孔
３ 回転軸
４ 玉軸受
５ 外輪
６ 止め輪
７ 自在継手
８ ヨーク
９ スプリングピン
１０ ヨーク
１１ 手動ハンドル
１２ ボールねじ部
１３ ボールナット
１４ ボール
１５ 結合筒部
１６ 出力軸
１７ カバー
１８ 突条
１９ 凹溝
２０ バンド
２１ 段部
２２ 間座
２３ 円筒部
２４、２４ａ 滑り軸受
２５ 内輪
２６ 間筒
２７ ローラクラッチ
２８ 外輪
２９ ローラ
３０、３０ａ 鍔部
３１ 摩擦プレート
３２ 変位側取付部
【産業上の利用分野】
この発明に係るリニアアクチュエータは、例えば介護用ベッド、昇降テーブル、リフター、車載ジャッキ等、各種機械装置に組み込んだ状態で使用する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば介護用ベッドにはリニアアクチュエータを組み込み、手動ハンドル或は電動モータを駆動源として、被介護者を寝かせたベッドの角度調節等を自在としている。この様なリニアアクチュエータには、次の(1)(2)の機能が要求される。
(1) 手動ハンドル或は電動モータの回転運動を、出力軸の軸方向運動（直線運動）に変換する機能。
(2) 手動ハンドル或は電動モータの停止時に、スラスト方向に加わる荷重に拘らず、出力軸が変位しない様にする機能。
この(1)(2)の様な機能を得るべく、従来から次の▲１▼〜▲７▼に記載された様なリニアアクチュエータが知られている。
【０００３】
▲１▼ 井沢実著、工業調査会発行の「ボールねじとその応用技術」
この刊行物の第１３４〜１３６頁には、ボールねじにより回転運動を直線運動に変換するアクチュエータに関する技術、並びに次の(a) 〜(d) の何れかにより、ボールねじの逆転防止を図る技術が記載されている。
(a) 駆動モータにブレーキ作用を持たせる。
(b) 駆動歯車に逆転不能なウォームギヤを使用する。
(c) 駆動歯車軸にブレーキ装置を設ける。
(d) 一方向クラッチ又は両方向クラッチを使用する。
【０００４】
▲２▼ トムソン−サギノー社が発行しているリニアアクチュエータのカタログ
▲３▼ 特開昭６３−４７５５７号公報
▲４▼ 特開昭５０−３１５５３号公報
これらの刊行物には、ボールねじその他の送りねじにより回転運動を直線運動に変換するアクチュエータに関する技術、並びにばねクラッチにより送りねじの逆転防止を図る技術が記載されている。
【０００５】
▲５▼ 特開昭６１−３８８９２号公報
この刊行物には、ボールねじにより回転運動を直線運動に変換するアクチュエータに関する技術、並びにソレノイドへの通電に基づいて断接される電動式のクラッチ及びブレーキにより駆動軸の回転を規制する技術が記載されている。
【０００６】
▲６▼ 実開昭６２−６３４５３号公報
この刊行物には、ボールねじにより回転運動を直線運動に変換するアクチュエータに関する技術、並びにディスク状に形成された抵抗体及び一方向クラッチにより、外部荷重に基づく復帰時の衝撃を緩和する技術が記載されている。
【０００７】
▲７▼ 実開昭６２−６３４５４号公報
この刊行物には、ボールねじにより回転運動を直線運動に変換するアクチュエータに関する技術、並びにこのボールねじに予圧を付与する事により、このボールねじに抵抗を付加し、逆転時の速度を調節する技術が記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記▲１▼〜▲７▼に記載した各技術は、それぞれ次に述べる様な解決すべき問題点がある。
▲１▼に記載された従来技術の場合
先ず、(a) の様に、駆動モータにブレーキ作用を持たせる場合には、駆動モータのコスト及び重量が嵩む。又、(b) の様に駆動歯車に逆転不能なウォームギヤを使用する場合には、ウォームギヤのリード角を小さくしない限り、確実な逆転防止を図れない。一方、リード角を小さくすると、噛合効率が悪くなって、十分な動作速度を確保する為には高速で回転する大型の電動モータを使用する必要が生じる。又、手動ハンドルによりアクチュエータを駆動する場合には、この手動ハンドルを多数回回転させなければならず、操作が面倒である。更に、(c) の様に駆動歯車軸にブレーキ装置を設けたり、或は(d) の様に一方向クラッチ又は両方向クラッチを使用する構造の場合には、単独で十分な逆転防止を図ろうとすると、これらブレーキ装置やクラッチとして大型のものを使用しなければならず、装置全体が大型化する。
▲２▼▲３▼▲４▼に記載された従来技術の場合
これらの場合には、手動ハンドル或は電動モータにより送りねじ機構を介して出力軸を変位させる際に、ばねクラッチが若干の抵抗となって効率を低下させるだけでなく、確実な逆転防止効果を得る為には、ばねクラッチとして相当に大型のものを使用しなければならない。
▲５▼に記載された従来技術の場合
この場合には、高価な部品を使用する為にリニアアクチュエータ自体が高価になるだけでなく、手動ハンドル或は電動モータと連動させて電動式のクラッチ及びブレーキを制御する制御回路が必要になる等、装置全体が高価になる事が避けられない。
▲６▼に記載された従来技術の場合
この場合には、ディスク状に形成された抵抗体及び一方向クラッチの設置スペースが嵩み、装置全体が大型化する。しかも、復帰時の衝撃緩和を目的としている為、確実な逆転防止効果を得る事はできない。
▲７▼に記載された従来技術の場合
この場合には、逆転時の速度を調節する事はできても、十分な逆転防止を図る事は不可能である。
本発明は、この様な不都合を解消すべく発明したものである。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
本発明のリニアアクチュエータは、ハウジングと、回転軸と、ボールナットと、出力軸と、間筒と、転がり軸受と、摩擦プレートと、一方向クラッチとを備える。
このうち、上記回転軸は、上記ハウジングの内側に、回転のみ自在に支持している。
又、上記ボールナットは、上記回転軸のボールねじ部に複数のボールを介して螺合している。
又、上記出力軸は、上記ボールナットにその基端部を結合固定している。
又、上記間筒は、上記回転軸の周囲に、この回転軸に対する回転を自在として支持されている。
又、上記転がり軸受は、上記ハウジングと上記回転軸との間に加わるスラスト荷重の作用方向に関して、これら間筒とハウジングとの間に設けられ、このスラスト荷重を支承しつつこの間筒の回転を許容する。
又、上記摩擦プレートは、上記間筒の一部と上記回転軸に固定した間座との間で軸方向に亙り挟持されている。
更に、上記一方向クラッチは、上記間筒の外周面と上記ハウジングの内周面との間に設けて、上記スラスト荷重に基づいて上記間筒が回転しようとする際にロックする。
【００１０】
【作用】
上述の様に構成される本発明のリニアアクチュエータは、回転軸に対してスラスト荷重が加わる状態で使用される。この様に組み付けられた状態で本発明のリニアアクチュエータは、次の様に作用する事により、回転軸に付与された回転力の方向に基づいて、出力軸を軸方向に変位させる。
【００１１】
先ず、上記回転軸を所定方向に回転させ、上記ボールナットを上記スラスト荷重に抗して変位させる際の作用に就いて説明する。この場合には、回転軸が所定方向に回転する事により、一方向クラッチはロックする事なく、間筒はハウジングに対して回転自在である。従ってこの状態では、間筒と摩擦プレートと間座とは回転軸と共に回転し、これら各部材の存在がこの回転軸の回転に対して抵抗にならない。この結果、上記駆動軸の正転に伴って上記回転軸が、所定方向に円滑に回転する。そして、この回転軸のボールねじ部に螺合したボールナットが、上記スラスト荷重に抗して軸方向に変位する。この際、逆転防止機構の存在が出力軸を変位させる事に対して抵抗とはならない。
【００１２】
次に、上記回転軸を停止させた状態では、上記スラスト荷重に基づいてボールナットから複数のボールを介してボールねじ部に加わる力により、上記回転軸が上記所定方向とは反対方向に回転する傾向となる。同時に上記間筒が、この回転軸と同方向に回転する傾向となる。この結果、上記一方向クラッチがロックし、上記間筒がハウジングに対して回転しなくなる。この状態では、上記回転軸を回転させる為には、上記摩擦プレートの側面と相手面とを滑らせる必要がある。従って、これら摩擦プレートの側面と相手面との間の摩擦係数を設計的に定められる所望値に規制する事により、上記スラスト荷重に基づいて上記回転軸が回転する事を防止できる。
【００１３】
更に、上記回転軸を上記所定方向とは反対方向に回転させた状態では、上記回転軸に、上記スラスト荷重に基づいて加わるトルクに加えて、上記入力部から入力されるトルクが、上記反対方向に加わる。従って上記回転軸は、上記摩擦プレートの側面と相手面との間に作用する摩擦力に抗して回転する。この際、この摩擦力が上記回転軸の回転に対する抵抗となるので、この回転軸が急激に回転する事が防止される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１〜３は、本発明の実施の形態の１例を示している。このリニアアクチュエータは、例えば手動ハンドルを操作する事により背もたれの角度を調節する介護用ベッドの角度調節装置の様に、使用時に圧縮方向のスラスト荷重が加わる部分に組み付けられる。ハウジング１は、例えばアルミニウム合金をダイキャスト成形する事により造られる。このハウジング１の基端部（図１〜２の左端部）の直径方向反対位置に設けられた１対のねじ孔２、２には、それぞれ図示しないボルトの端部を螺合させて、上記ハウジング１を上記介護用ベッドのフレーム等に、揺動自在に支持する。
【００１５】
この様なハウジング１の内側には回転軸３の基端部（図１〜２の左端部）を、深溝型の玉軸受４により、回転のみ自在に支持している。この玉軸受４は、上記回転軸３に加わるラジアル荷重の他、上記圧縮方向のスラスト荷重も支承する。この為、上記玉軸受４を構成する外輪５の軸方向片端面（図１〜２の左端面）は、上記ハウジング１の内周面に止着した止め輪６に突き当てている。
【００１６】
又、上記回転軸３の基端で上記玉軸受４から突出した部分には、自在継手７を構成する一方（図１の右方）のヨーク８を、スプリングピン９により結合固定している。そして、上記自在継手７を構成する他方（図１の左方）のヨーク１０に、入力部である手動ハンドル１１の端部を結合している。この手動ハンドル１１は、リニアアクチュエータを伸縮させる際に、作業者が手で回転させる。
【００１７】
一方、上記回転軸３の基端部を除く部分には、断面が円弧形の螺旋溝を形成する事により、ボールねじ部１２としている。そしてこのボールねじ部１２の周囲にボールナット１３を、複数のボール１４、１４を介して螺合させている。そしてこのボールナット１３の先端部（図１〜２の右端部）に形成した結合筒部１５に、円筒状の出力軸１６の基端部（図１〜２の左端部）を螺合固定している。又、上記ボールナット１３及び出力軸１６の周囲は、テーパ円筒状のカバー１７により覆っている。尚、上記出力軸１６及びボールナット１３は、この出力軸１６の先端部（図１の右端部）を介護用ベッドの背もたれ部分等の所定部分に結合する事により、回転防止が図られる。従って、リニアアクチュエータの組み付け状態では、上記ボールナット１３は上記回転軸３の周囲に、この回転軸３の軸方向（図１〜２の左右方向）に亙る変位のみを自在に支持される。尚、上記カバー１７は、合成樹脂、或は金属により造られており、その基端部（図１〜２の左端部）内周面に形成された突条１８を前記ハウジング１の外周面に形成した凹溝１９に係止し、更にバンド２０で締め付ける事により、上記ハウジング１に結合固定している。
【００１８】
又、前記回転軸３の一部で上記ボールねじ部１２の基端部分（図１〜２の左端部分）には、このボールねじ部１２側が大径となった段部２１を形成している。そして、この段部２１に、円輪形の間座２２の内周縁部に形成した円筒部２３の軸方向片面（図１〜２の右側面）を突き当てている。従って、上記回転軸３に図１〜２の左方向に加わる圧縮スラスト荷重は、上記間座２２に伝達される。又、この間座２２の内周縁は上記回転軸３の外周面に、締まり嵌めにより嵌合しているか、或は非円形周面同士で嵌合している。従って上記間座２２は、上記回転軸３と共に回転する。
【００１９】
又、上記回転軸３の一部で、前記ヨーク８の設置部分と上記間座２２との間部分には、滑り軸受２４を外嵌している。前記玉軸受４を構成する内輪２５は、この滑り軸受２４の端部に外嵌している。又、この滑り軸受２４の残り部分の周囲には、円筒状の間筒２６を、回転自在に支持している。そして、この間筒２６の外周面と前記ハウジング１の内周面との間に、一方向クラッチの一種であるローラクラッチ２７を設けている。即ち、内周面をカム面とした外輪２８を上記ハウジング１に内嵌固定し、この外輪２８がハウジング１に対して回転しない様にしている。そして、この外輪２８の内周面と上記間筒２６の外周面との間に、複数本のローラ２９、２９を設けている。周知の様にこれら各ローラ２９、２９は、回転しない保持器との間に設けられたばねにより、円周方向一方向に弾性的に押圧している。従って、上記間筒２６が所定方向に回転する場合には、上記各ローラ２９、２９が上記カム面に食い込む事なく、この間筒２６の回転を許容する。これに対して、上記間筒２６が上記所定方向とは反対方向に回転すると、上記各ローラ２９、２９が上記カム面に食い込み、上記間筒２６がハウジング１の内側で回転しなくなる。又、特許請求の範囲に記載した転がり軸受である、上記玉軸受４を構成する上記内輪２５の軸方向端面は、上記間筒２６の軸方向端面に突き当てている。要するに、上記玉軸受４は、上記ハウジング１と上記回転軸３との間に加わるスラスト荷重の作用方向に関して、このハウジング１と上記間筒２６との間に設けている。
【００２０】
更に、上記間筒２６の軸方向一端部（図１〜２の右端部）外周面には、外向フランジ状の鍔部３０を形成し、この鍔部３０の片面（図１〜２の右側面）を、上記間筒２６の軸方向一端面としている。そして、この鍔部３０の片面と上記間座２２との間に、摩擦プレート３１を挟持している。この摩擦プレート３１は、少なくとも軸方向両側面を摩擦係数の大きな材料により造られて、相手面である前記間座２２の片面（図１〜２の左面）及び上記間筒２６の軸方向一端面である上記鍔部３０の片面と摩擦係合する。但し、摩擦係合状態を一定にする為、間座２２と間筒２６とが相対回転した状態では、何れか一方の摩擦係合面が摺動（相対変位）し、他方の摩擦係合面が相対変位しない様にする。従って、一方の対向面（例えば、間座２２の片面と摩擦プレート３１の片面）は接着しても良い。この場合、接着する側の面の摩擦係数は特に問わない事は勿論である。
【００２１】
上述の様に構成される本発明のリニアアクチュエータは、前述の様に、前記ハウジング１の基端部に形成したねじ孔２、２に螺合したボルトにより、このハウジング１を揺動自在に支持する。又、前記出力軸１６の先端部に形成した変位側取付部３２を変位軸に、それぞれ枢支する。この変位軸は上記ボルトに近づく方向に変位する傾向となっているので、この本発明のリニアアクチュエータは、上記出力軸１６に圧縮方向のスラスト荷重が加わる状態で使用される。この様に組み付けられた状態で本発明のリニアアクチュエータは、次の様に作用する事により、前記手動ハンドル１１の回転方向に基づいて上記出力軸１６を軸方向に亙り変位させる。
【００２２】
先ず、上記手動ハンドル１１を所定方向に回転させ、上記出力軸１６を上記スラスト荷重に抗し変位させる事により、リニアアクチュエータを伸長させる際の作用に就いて説明する。この場合には自在継手７を介して回転軸３が所定方向に回転し、ローラクラッチ２７はロックする事なく、間筒２６はハウジング１に対して回転自在である。従ってこの状態では、間筒２６と摩擦プレート３１と間座２２とは回転軸３と共に回転し、これら各部材２６、３１、２２の存在がこの回転軸３の回転に対し抵抗とはならない。又、ローラクラッチ２７はラジアルニードル軸受の如く作用して、上記間筒２６の回転を許容する。従って、一方向クラッチであるローラクラッチ２７の存在も、回転軸３の回転に対し抵抗とはならない。
【００２３】
この結果、上記手動ハンドル１１の回転に伴って上記回転軸３が、所定方向に円滑に回転する。そして、この回転軸３のボールねじ部１２に螺合したボールナット１３が、このボールねじ部１２の先端方向（図１〜２の右方向）に変位し、上記出力軸１６を上記スラスト荷重に抗して変位させる。この際、上述の様に、逆転防止機構を構成する上記間筒２６と摩擦プレート３１と間座２２とローラクラッチ２７との存在が、出力軸１６を変位させる事に対して抵抗とはならない。従って、上記手動ハンドル１１の駆動力は、上記出力軸１６を変位させる事に有効に使われる。この結果、作業者が手動ハンドル１１に加える力を徒に大きくしなくても、十分にリニアアクチュエータを伸長させる事ができる。
【００２４】
次に、上記手動ハンドル１１を停止させた状態では、上記スラスト荷重に基づいて出力軸１６からボールナット１３、複数のボール１４、１４を介してボールねじ部１２に加わる力により、上記回転軸３が上記所定方向とは反対方向に回転する傾向となる。同時に上記間筒２６が、この回転軸３と同方向に回転する傾向となる。この結果、上記ローラクラッチ２７がロックし、上記間筒２６がハウジング１に対して回転しなくなる。この状態では、上記回転軸３を回転させる為には、例えば上記摩擦プレート３１の側面と相手面である前記鍔部３０の片面とを滑らせる必要がある。従って、これら摩擦プレート３１の側面と鍔部３０の片面との間の摩擦係数を設計的に定められる所望値に規制する事により、上記スラスト荷重に基づいて上記回転軸３が回転する事を防止できる。
【００２５】
更に、上記手動ハンドル１１を、上記所定方向とは反対方向に回転させた状態で上記回転軸３には、上記スラスト荷重に基づいて加わるトルクに加えて、上記手動ハンドル１１から自在継手７を介して伝達されるトルクが、上記反対方向に加わる。従って上記手動ハンドル１１は、上記摩擦プレート３１の側面と鍔部３０の片面との間に作用する摩擦力に抗して回転する。この際、この摩擦力が上記手動ハンドル１１の回転に対する抵抗となるので、この手動ハンドル１１の回転が急激に行なわれる事が防止される。従って、上記摩擦プレート３１の側面と鍔部３０の片面との間の摩擦係数を適正値にすれば、リニアアクチュエータの伸長だけでなく収縮を円滑に行なわせる事ができる。
【００２６】
上記摩擦プレート３１の側面と鍔部３０の片面との間の摩擦係数の設定方法は次の通りである。尚、以下の説明で使用する符号の意味は、それぞれ次の通りである。又、この説明に使用する図３では、間筒２６を厚肉円筒状に形成しているが、この間筒２６の作用自体は、図１〜２に示したものと同様である。
Ｆ ： 出力軸１６に圧縮方向に加わるスラスト荷重
μ ： 摩擦プレート３１の側面と間筒２６の軸方向一端面（図１〜２に於ける鍔部３０の片面）との間の摩擦係数
Ｄ ： 摩擦プレート３１の側面と間筒２６の軸方向一端面（図１〜２に於ける鍔部３０の片面）との接触部の平均直径
Ｌ ： ボールねじのリード
Ｔ ： リニアアクチュエータを伸長させる為に、回転軸３に加えるべき作動トルク
Ｔ´： 圧縮方向のスラスト荷重に基づいて回転軸３に加わるトルク
Ｔb ： 摩擦プレート３１の側面と間筒２６の軸方向一端面（図１〜２に於ける鍔部３０の片面）との間の摩擦に基づくブレーキトルク
η ： 手動ハンドル１１の正転時に於けるボールねじの伝達効率
η´： 手動ハンドル１１の逆転時に於けるボールねじの伝達効率
【００２７】
Ｔ＝（Ｆ・Ｌ）／（２・π・η） −−− （１）
であり、
Ｔ´＝（Ｆ・Ｌ・η´）／（２・π） −−− （２）
であり、
Ｔb ＝（μ・Ｆ・Ｄ）／２ −−− （３）
である。
手動ハンドル１１から手を離した状態でも、リニアアクチュエータの全長がスラスト荷重により縮まらない為には、
Ｔb ＞Ｔ´ −−− （４）
である必要がある。又、作業者が手動ハンドル１１に加えるトルクを小さく抑えるにしても、リニアアクチュエータの全長を収縮させる際に手動ハンドル１１に加えるべきトルクを、伸長させる際に手動ハンドル１１に加えるべきトルク以下にする事が好ましい。又、リニアアクチュエータの収縮時に手動ハンドル１１に加えるべきトルクは、（Ｔb −Ｔ´）に比例する。従って、
Ｔ≧（Ｔb −Ｔ´） −−− （５）
である事が好ましい。（４）（５）式をまとめると、
Ｔ＋Ｔ´≧Ｔb ＞Ｔ´ −−− （６）
となる。更にこの（６）式に前記（１）〜（３）式を代入すると、
（Ｌ／π・Ｄ）・｛η´＋（１／η）｝≧μ＞（Ｌ・η´）／（π・Ｄ）
例えば、介護用ベッドに組み込まれるリニアアクチュエータの場合には、Ｌ≒５mm、Ｄ≒２０mm、η≒η´≒０．９程度のものが造られる。この条件を上記（７）式に代入すると、
０．１６≧μ＞０．０７ −−− （８）
とする事により、手動ハンドル１１に加えるべきトルクを小さくして、しかもこの手動ハンドル１１から手を離した状態で収縮する事のないリニアアクチュエータを構成できる事が分かる。
【００２８】
尚、図１〜３の例は、リニアアクチュエータに圧縮方向の荷重が加わる場合を示しているが、構成各部材の軸方向に亙る配列順序を図１〜３とは逆にする事により、引っ張り方向に亙るスラスト荷重が加わる部分にも使用できる。更には、軸方向に亙る配列順序を互いに逆方向にした構成各部材を２組設ける事により、両方向のスラスト荷重が加わる部分にも使用できる。又、伸縮作業を電動式に行なわせる事もできる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のリニアアクチュエータは以上に述べた通り構成され作用するので、小型且つ軽量で、しかも回転軸を回転させる為に要する力が小さくて済むリニアアクチュエータを安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例を示す断面図。
【図２】図１のＡ部拡大図。
【図３】摩擦係数の設定方法を説明する為の部分断面図。
【符号の説明】
１ ハウジング
２ ねじ孔
３ 回転軸
４ 玉軸受
５ 外輪
６ 止め輪
７ 自在継手
８ ヨーク
９ スプリングピン
１０ ヨーク
１１ 手動ハンドル
１２ ボールねじ部
１３ ボールナット
１４ ボール
１５ 結合筒部
１６ 出力軸
１７ カバー
１８ 突条
１９ 凹溝
２０ バンド
２１ 段部
２２ 間座
２３ 円筒部
２４、２４ａ 滑り軸受
２５ 内輪
２６ 間筒
２７ ローラクラッチ
２８ 外輪
２９ ローラ
３０、３０ａ 鍔部
３１ 摩擦プレート
３２ 変位側取付部
Claims (2)
- ハウジングと、このハウジングの内側に回転のみ自在に支持された回転軸と、この回転軸のボールねじ部に複数のボールを介して螺合したボールナットと、このボールナットにその基端部を結合固定した出力軸と、上記回転軸の周囲にこの回転軸に対する回転を自在として支持された間筒と、上記ハウジングと上記回転軸との間に加わるスラスト荷重の作用方向に関して、これら間筒とハウジングとの間に設けられ、このスラスト荷重を支承しつつこの間筒の回転を許容する転がり軸受と、この間筒の一部と上記回転軸に固定した間座との間で軸方向に亙り挟持された摩擦プレートと、上記間筒の外周面と上記ハウジングの内周面との間に設けられて、上記スラスト荷重に基づいて上記間筒が回転しようとする際にロックする一方向クラッチとを備える事を特徴とするリニアアクチュエータ。
- 間座と間筒とが相対回転する状態で、摩擦プレートの軸方向両側面のうちの一方の側面と、この間座の軸方向片側面と上記間筒の軸方向一端面とのうちの一方の面である相手面とを摺動させ、上記摩擦プレートの軸方向両側面のうちの他方の側面と、上記間座の軸方向片側面と上記間筒の軸方向一端面とのうちの他方の面とを摺動させず、上記一方の側面と相手面との間の摩擦係数をμとし、これら一方の側面と相手面との接触部の平均直径をＤとし、ボールねじのリードをＬとし、回転軸の正転時に於けるボールねじの伝達効率をηとし、同じく逆転時に於ける伝達効率をη´とした場合に、
（Ｌ／π・Ｄ）・｛η´＋（１／η）｝≧μ＞（Ｌ・η´）／（π・Ｄ）
を満たす事を特徴とする、請求項１に記載したリニアアクチュエータ。
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