JP4136333B2 - リニア駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動源の回転運動を駆動軸の直線運動に変換することができるリニア駆動装置に関するもので、例えば、給水装置の弁の開閉や風呂の排水栓の開閉アクチュエータなどとして利用することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、給水装置の弁の開閉や風呂の排水栓の開閉アクチュエータなどとして利用することができるリニア駆動装置が各種提案されている。実開昭５７−１２７５６７号公報、特開平６−７５４５０号公報に記載されている発明などはその例である。実開昭５７−１２７５６７号公報記載の発明は、回転方向の動きが規制されスラスト方向に移動可能で雄ねじが形成された出力軸と、モータのロータに形成され上記出力軸の雄ねじと噛み合う雌ねじと、モータのロータの一端に形成されたピニオンと、このピニオンと噛み合う歯車と、この歯車に形成された回転規制のための凸部と、支持台に設けられ上記凸部と干渉することによって上記歯車の回転領域を規制する凸部とを有してなり、上記歯車の回転領域を規制することにより、結果的に上記出力軸の直線移動ストロークを規制するものである。また、上記歯車と平行に配置された支持台に位置検出用センサが固定され、歯車の回転領域内での原点位置を検出するようになっている。
【０００３】
特開平６−７５４５０号公報記載の発明は、上述の公報記載の発明と同様に、ロータの回転運動を出力軸のスラスト方向への直線運動に変換する機構であって、ステータの内部に一体に配置された円筒部の雌ねじと、スラスト方向に移動可能でロータとスプラインで結合している出力軸の雄ねじが噛み合い、ロータが回転することにより出力軸がスラスト方向に直線移動するようになっていて、ロータに固定されあるいはロータとともに回転する欠歯歯車がストッパ構造をもったゼネバ車と噛み合うことにより、欠歯歯車の回転領域が規制されるようにしたいわゆるゼネバ機構を利用したものである。上記欠歯歯車の回転領域が規制される結果として出力軸の直線移動ストロークを規制するようにしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記実開昭５７−１２７５６７号公報記載の発明によれば、ロータに形成されたピニオンと噛み合う歯車に回転領域規制部を設けているので、歯車が１回転する範囲内の動作領域しか得ることができない。特に、減速比に制約があることから、上記歯車の１回転の範囲内ではロータの回転範囲は数回転程度に制限されるため、出力軸の直線移動ストロークが小さい範囲に制限される。
【０００５】
また、特開平６−７５４５０号公報記載の発明によれば、ゼネバ機構を利用して間欠的に駆動することにより減速を行い、被駆動側にストッパ部を設け回転領域の規制を行っている。このように、間欠回転駆動機構を用いることにより回転領域をある程度広げることはできる。しかしながら、この場合、減速比は１／８程度が限界であるため、大きなストロークを確保するのは難しい。
【０００６】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、モータのロータの回転運動を駆動軸の直進運動に変換する変換手段を有するリニア駆動装置であって、駆動軸の直進移動ストロークを充分に大きくすることができるリニア駆動装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、モータのロータの回転運動を駆動軸の直進運動に変換する変換手段を有するリニア駆動装置において、上記変換手段は、リードスクリューの噛み合いによる変換手段であり、上記モータのロータと上記変換手段との間には、上記モータの出力軸に取り付けられたピニオンと、このピニオンと噛み合いこのピニオンより歯数の多い第１歯車と、第１歯車と噛み合う第２歯車と、これら第１歯車と第２歯車に設けられていて双方の複数回転を許容するとともに互いに干渉し上記ロータの回転を阻止する阻止部とを有してなるアメリカン・ワインディング・ストップ機構を有し、上記アメリカン・ワインディング・ストップ機構により上記駆動軸の可動範囲が規制されるとともに、位置検出手段によって上記駆動軸の可動範囲が規制されており、上記アメリカン・ワインディング・ストップ機構によって規制される上記駆動軸のストロークは上記位置検出手段で検出され規制されるストロークよりも大きいことを特徴とする。
【０００８】
アメリカン・ワインディング・ストップ機構を構成する第１歯車と第２歯車は、回転素子部が作動する回転の開始から回転の終わりまでの第１歯車と第２歯車の回転数を多く取ることが可能であり、これにより駆動軸の直進移動ストロークを充分に大きくとることができる。
【０００９】
また、本発明は、モータのピニオンと第１歯車との間に別の歯車が介在していることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、第１歯車と第２歯車の一方に阻止部が複数設けられていることを特徴とする。また、本発明は、第１歯車または第２歯車は位置検出手段を有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明にかかるリニア駆動装置の実施の形態について説明する。
図１、図２において、符号１３は有底円筒状のケースを、４はケース１３の開口端に固定されたカバーを示している。ケース１３内には駆動源としてのモータが組み込まれている。モータは、ボビン１９、駆動コイル２０、ステータコア２１、モータケース１８などからなるステータと、ロータ１６、ロータマグネット１７などからなるロータとを有してなる。
【００１２】
上記ステータコア２１は内周側において複数の極歯を周方向に等間隔で円筒形をなすように有している。ステータコア２１は２個を一組として、それぞれの極歯が交互に周方向に並ぶように対向させて配置されている。これらの極歯の外周側に、駆動コイル２０が巻かれたボビン１９が嵌められている。上記２個一組のステータコア２１、ボビン１９、駆動コイル２０からなるステータ組が２組軸方向に重ねられて結合され、ステータが構成されている。このようにして構成されたステータは有底円筒状のモータケース１８に収納され固定されている。
【００１３】
上記ロータ１６は、モータの出力軸をなす中心管軸部２５と、この中心管軸部２５の軸方向の約半部に一体成形によって形成された大径円筒部２６を有している。大径円筒部２６の外周には円筒形のロータマグネット１７が嵌められて固着されている。ロータマグネット１７は周方向に等間隔に磁極を有している。ケース１３内には上記ステータの端面に対向させて地板２２が上記モータケース１８の開放端に固定されている。地板２２の中心孔にはラジアル軸受２３が嵌められ、ラジアル軸受２３によってロータ１６の上記中心管軸部２５が回転可能に支持されている。上記ロータ１６の其端（図１において右端）にはキャップ１５が嵌められている。キャップ１５は球面を有し、この球面が、上記モータケース１８の内低部中心に配置されたスラスト受１４に当たり、ロータにかかるスラスト方向の荷重が受けられるようになっている。モータケース１８の内底部中心には、スラスト受１４およびロータ１６の中心管軸部２５の其端部を囲む円筒部が形成されている。
【００１４】
ロータ１６の中心管軸部２５には、先端部内周側に雌リードスクリュー２７が形成され、軸方向中間部である上記ラジアル軸受２３近傍においてピニオン２８が形成されている。上記中心管軸部２５には可動軸２４の其端部が挿入されている。可動軸２４の其端部外周には雄リードスクリューが形成されている。この雄リードスクリューは上記ロータ１６の雌リードスクリュー２７と噛み合っている。可動軸２４の先端部は前記カバー４の先端面から突出している。可動軸２４には、その長さ方向中央部に、上記カバー４内において可動軸２４から半径方向に伸びる回転止め６が固着されている。カバー４内には可動軸２４と平行にガイド軸５が固定されている。ガイド軸５にはこのガイド軸５に沿ってスライド可能に上記回転止め６が嵌っている。
【００１５】
前記ステータとロータを有してなるモータはステッピングモータになっていて、駆動コイル２０にパルス状の電源が供給されることにより、ロータが所定の角度ずつ回転する。ロータを構成する前記中心管軸部２５が一方向に回転すると、中心管軸部２５の雌リードスクリュー２７と可動軸２４の雄リードスクリューとの噛み合いにより、かつ、回転止め６によって可動軸２４の回転止めがなされていることにより、可動軸２４がガイド軸５にガイドされながら軸方向に直線移動する。上記中心管軸部２５が逆転すると、可動軸２４は逆向きに直線移動する。したがって、中心管軸部２５の雌リードスクリュー２７と可動軸２４の雄リードスクリュー、回転止め６などによって、モータのロータの回転運動を可動軸２５の直進運動に変換する変換手段を構成している。
【００１６】
上記回転止め６には磁石片７が取り付けられている。磁石片７の移動軌跡に対向させて、可動軸２４の直線移動限界を検出するための磁気センサ２，３が固定されている。磁気センサ２は可動軸２４の前進限界を検出するものであり、磁気センサ３は可動軸２４の後退限界を検出するものである。可動軸２４が前進し、センサ２が磁石片７を検出するとモータの駆動を停止して可動軸２４の前進を停止させ、モータの逆転によって可動軸２４が後退し、センサ３が磁石片７を検出するとモータの駆動を停止して可動軸２４の後退を停止させる。
【００１７】
上記可動軸２４の、前進限界から後退限界までの移動ストロークを長くするとともに、十分な力量を得るためには、解決しようとする課題の欄でも述べたとおり、モータの回転数を多くする必要がある。そのために本発明では、アメリカン・ワインディング・ストップ機構を設けた。図２、図３は、上記直線移動機構に組み込んだアメリカン・ワインディング・ストップ機構の例を示す。
【００１８】
図２、図３において、前記中心管軸部２５に形成されたピニオン２８の外周側には、このピニオン２８に噛み合う第１歯車２９と、この第１歯車２９に噛み合う第２歯車３１が配置されている。第１歯車２９と第２歯車３１はいずれも前記地板２２にそれぞれ軸３０、軸３２を中心に回転可能に保持されている。第１歯車２９と第２歯車３１は異なる歯数になるように形成されている。
【００１９】
図１、図２に示す実施形態は、風呂の排水栓を自動的に開閉させるためのリニア駆動装置の例で、可動軸２４の全ストロークは約１８ｍｍ、上記二つのセンサ２、３間のストロークは１５．２ｍｍの例である。モータの出力軸に形成されたピニオン２８の歯数は１６、第１歯車２９の歯数は２４、第２歯車３１の歯数は２５である。第１歯車２９には２枚の歯数分だけ厚さが厚くなった突起３３が一体に形成されている。これに対して第２歯車３１には、１箇所の歯溝に重なる形で厚さが厚くなった。上記突起３３と突起３４は、歯車２９、３１の同じ面側から突出することによって、これらの突起３３、３４の先端が向き合おうとするとき互いに干渉するようになっている。突起３３、３４が互いに干渉しない範囲では、第１歯車２９、第２歯車３１双方は回転することができる。したがって、これら突起３３と突起３４は、互いに干渉しない範囲では第１歯車２９、第２歯車３１双方の複数回転を許容するとともに互いに干渉してロータの回転を阻止する阻止部を構成している。
【００２０】
上記のように、第１歯車２９の歯数は２４、第２歯車３１の歯数は２５で１歯違いになっている場合、図３（ａ）に示すように突起３３と突起３４が互いに干渉して回転が阻止された状態から、歯車が逆転し、図３（ｂ）に示すように突起３３と突起３４が逆方向から再び互いに干渉して回転が阻止された状態になるには、第１歯車２９が第２歯車３１の回転許容歯数分回転した後となる。そして、上記実施形態の場合、一方の回転阻止位置から他方の回転阻止位置までの可動軸２４のストロークＬは、第１歯車２９の回転数をＮ１、第１歯車２９の歯数をＺ１、ピニオン２８の回転数をＮｐ、ピニオン２８の歯数をＺｐとすると、次の計算によって求めることができる。
Ｎ１＝２５−１＝２４
（第１歯車２９の阻止部３３が１歯分であれば、第１歯車２９の回転数は２５であるが、図示の実施形態では阻止部３３が２歯分であるため、−１となる。）
Ｎｐ＝Ｎ１×Ｚ１／Ｚｐ＝２４×２４／１６＝３６
前記リードスクリュー２７のピッチを０．５ｍｍとすると、上記ストロークＬは、
Ｌ＝３６×０．５＝１８（ｍｍ）
となる。
【００２１】
実際には、突起３３と突起３４が互いに干渉する位置は二つの歯車２９、３１の中心軸線より約１．５歯分だけ手前になるので、厳密な計算ではＬ＝１７．９（ｍｍ）となる。
このように、歯数の異なる歯車を噛み合わせるとともに、双方の歯車の一部に、互いに干渉する阻止部を設けてなる機構をアメリカン・ワインディング・ストップ機構と称しており、前述のゼネバ機構などに比べて、一方向の回転限界から他方向の回転限界までの歯車の回転数を多くすることができる特徴がある。かかる特徴を有するアメリカン・ワインディング・ストップ機構を用いた図示の実施形態によれば、可動軸２４の直線移動ストロークを長くすることができるとともに、充分大きな力量を得ることができる。
【００２２】
以上説明した実施形態では、アメリカン・ワインディング・ストップ機構によって規制される可動軸２４のストロークよりも、二つの磁気センサ２、３で検出され規制される可動軸２４のストロークが若干小さくなっている。これは、通常、二つの磁気センサ２、３でストロークを規制するようにし、仮に、暴走などにより磁気センサ２、３による規制が働かなくなったとしても、アメリカン・ワインディング・ストップ機構により可動軸２４の直線移動を強制的に規制するためである。これによって、リニア駆動装置自体およびこのリニア駆動装置で駆動される装置を保護することができる。可動軸の一方の移動位置規制をセンサによる検出信号で行い、他方の移動位置規制をアメリカン・ワインディング・ストップ機構で行うようにしてもよい。
【００２３】
図示の実施形態では、モータのロータに一体に形成されたピニオン２８で第１歯車２９を回転駆動し、第１歯車２９に第２歯車３１を噛み合わせているが、上記ピニオンに代えてモータの出力軸に第１歯車を設け、この第１歯車に第２歯車を噛み合わせてもよい。
モータの出力軸に取り付けたピニオンの後に第１歯車を設ける場合、ピニオンと第１歯車との間に一つまたは複数の歯車を介在させてもよい。
【００２４】
前記阻止部は、１個のみでなく複数個設けてもよい。こうすれば、第１、第２歯車の回転数を１回転単位で調整することができるので、同じ歯車列構造であっても、片方の歯車のみを偏向するだけで、可動軸のストロークを微細に調整することができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、リニア駆動装置において、アメリカン・ワインディング・ストップ機構を用いて可動軸の直線移動ストロークを規制するようにしたため、アメリカン・ワインディング・ストップ機構を構成する第１歯車、第２歯車の一方の回転限界から他方の回転限界までの回転数を多くすることができ、もって、可動軸の直線移動ストロークを長くすることができるとともに、充分大きな力量を得ることができる。
また、本発明によれば、アメリカン・ワインディング・ストップ機構によって規制される上記駆動軸のストロークは位置検出手段で検出され規制されるストロークよりも大きくなっている。したがって、通常動作は位置検出手段でストロークを規制し、暴走などにより位置検出手段による規制が働かなくなったとしても、アメリカン・ワインディング・ストップ機構により可動軸を規制することができる。
【００２７】
また、本発明によれば、モータのピニオンと第１歯車との間に別の歯車が介在しているため、第１歯車および第２歯車の回転数に対するロータの回転数をより一層多くすることができ、可動軸の移動ストロークと力量をより一層大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるリニア駆動装置の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】上記実施形態中のカバーを除去してアメリカン・ワインディング・ストップ機構の部分を示す正面図である。
【図３】上記アメリカン・ワインディング・ストップ機構の動作を示すもので、（ａ）は一方の回転限界を、（ｂ）は他方の回転限界を示す正面図である。
【符号の説明】
２５ モータの出力軸をなす中心管軸部
２８ ピニオン
２９ 第１歯車
３１ 第２歯車
３３ 阻止部
３４ 阻止部

Claims (3)

1. モータのロータの回転運動を駆動軸の直進運動に変換する変換手段を有するリニア駆動装置において、
   上記変換手段は、リードスクリューの噛み合いによる変換手段であり、
   上記モータのロータと上記変換手段との間には、上記モータの出力軸に取り付けられたピニオンと、このピニオンと噛み合いこのピニオンより歯数の多い第１歯車と、第１歯車と噛み合う第２歯車と、これら第１歯車と第２歯車に設けられていて双方の複数回転を許容するとともに互いに干渉し上記ロータの回転を阻止する阻止部とを有してなるアメリカン・ワインディング・ストップ機構が設けられ、
   上記アメリカン・ワインディング・ストップ機構により上記駆動軸の可動範囲が規制されるとともに、位置検出手段によって上記駆動軸の可動範囲が規制されており、
   上記アメリカン・ワインディング・ストップ機構によって規制される上記駆動軸のストロークは上記位置検出手段で検出され規制されるストロークよりも大きいことを特徴とするリニア駆動装置。
2. モータのピニオンと第１歯車との間に別の歯車が介在している請求項１記載のリニア駆動装置。
3. 第１歯車と第２歯車の一方に阻止部が複数設けられている請求項１記載のリニア駆動装置。

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