JP4217981B2

JP4217981B2 - 直動・回転複合アクチュエータ

Info

Publication number: JP4217981B2
Application number: JP2005031984A
Authority: JP
Inventors: 嘉一郎三井
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2005-02-08
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2025-02-08
Also published as: US20060222531A1; US7357065B2; JP2006220178A; DE102006005580B4; DE102006005580A1

Description

本発明は、出力軸に直動及び回転の複合された動作を出力できるようにした直動・回転の複合アクチュエータに関するものである。

直動用のアクチュエータと回転用のアクチュエータとを組み合わせて、出力軸を直線的に駆動できるようにすると同時に該出力軸を回転駆動できるようにした直動・回転複合アクチュエータとして、上記出力軸の直線的な駆動を流体圧シリンダによって行い、上記出力軸の回転駆動を、回転駆動機構からスプラインナットを介して上記出力軸の一部に形成したスプライン軸部に伝達するようにしたものは、例えば、特許文献１に開示されているように、従来から知られている。

しかしながら、この種の直動・回転複合アクチュエータにおいては、上記特許文献１に記載のものを含めて、出力軸に回転力が伝達されるとピストン自体も回転するのが通例であり、そのため、出力軸を回転させる場合にも、ピストンのシール部における摩擦抵抗に抗して回転駆動機構を回転駆動する必要がある。また、一般的に、直動部分をシールするシール部材と回転部分をシールするシール部材とは、それぞれに適する構成にする必要があるが、上記ピストンのシール部は、直動と回転の両方のシールを受け持つため、シール性能や寿命の点で適切なものとは言えない。このような問題は、ピストンのシール部ばかりでなく、出力軸等に同様なシール部材がある場合についても言えることである。

更に、上記特許文献１に記載の複合アクチュエータでは、スプラインを有する軸とピストンとを一体構成にしているため、その製造に際して軸を２分割してその間にピストンを挟み込む等の手間を要すると共に、スプラインを有する軸がシリンダ室を貫通するため、シリンダ室と大気圧部の仕切りのために、スプラインの断面形状に合わせたシール材が必要になり、常に流体漏れの可能性を抱え、また、シリンダの作動中におけるシリンダ室への圧力流体の出入りにより、滑り軸受部の潤滑が不充分になることが懸念されるものである。

実公平８−８３２２号公報

本発明の技術的課題は、上述した直動・回転複合アクチュエータにおいて、出力軸を回転させる場合にも、ピストンのシール部における摩擦抵抗に抗して回転駆動機構を回転駆動する必要をなくすことにある。
本発明の他の技術的課題は、出力軸に回転力が与えられても、それがピストンには伝達されず、それによって、ピストン等のシール部に直動と回転の両方のシール機能を受け持たせず、シール性能を十分に発揮させると共に長寿命化できるようにした直動・回転複合アクチュエータを得ることにある。

本発明の他の技術的課題は、出力軸を回転させるためのホルダーを含む回転ユニットを大気圧環境に置き、それによってホルダーから出力軸に回転を伝達するスプラインを大気圧環境に置いて、その滑り軸受部の潤滑を長期にわたり安定化できるようにした直動・回転複合アクチュエータを得ることにある。
また、本発明の他の技術的課題は、シリンダ室を往復動するピストンのロッドにスプラインを形成することなく、それによって、スプラインの断面形状に合わせたシールを設ける必要をなくした直動・回転複合アクチュエータを得ることにある。

上記課題を解決するための本発明の直動・回転複合アクチュエータは、外側シリンダチューブ内に内側シリンダチューブを同心状かつ相互に固定された状態に設け、両シリンダチューブ間に形成される筒状のシリンダ室内に、流体圧駆動される筒状のピストンと該ピストンに連なる筒状のロッドとを、シール部材を介して上記シリンダチューブの軸線方向に摺動自在に嵌装し、上記内側シリンダチューブ内に、筒状のホルダーを第１軸受を介して回転自在かつ軸方向移動は拘束された状態に設けると共に、このホルダーを回転駆動機構により回転駆動可能とし、該ホルダー及び上記ロッドの内部に出力軸を挿通して、この出力軸を、上記ホルダーに対しては相対的に回転しないが軸線方向には摺動するように連結すると共に、上記ロッドに対しては第２軸受により相互に回転自在ではあるが軸線方向には一体化されて移動するように連結したことを特徴とするものである。

上記直動・回転複合アクチュエータにおいて、上記ホルダーと上記出力軸とは、該ホルダーに固定されたスプラインナットと上記出力軸の一部に形成されたスプライン軸部とで連結される。
また、上記直動・回転複合アクチュエータにおいては、上記ホルダー及び出力軸が全て大気圧環境に配置される。

上述した本発明の直動・回転複合アクチュエータの好ましい実施形態においては、上記回転駆動機構が、上記外側シリンダチューブまたは内側シリンダチューブに設けられると共に、該回転駆動機構の回転を上記ホルダーに伝達する伝動機構を備えたものとして構成され、また、上記回転駆動機構が、上記出力軸の軸線上に上記ホルダーを直接回転駆動するものとして設けられる。

上記構成を有する本発明の直動・回転複合アクチュエータにおいては、外側シリンダチューブ内に内側シリンダチューブを同心状に設け、両シリンダチューブ間に形成される筒状のシリンダ室に流体圧駆動されるピストンを嵌装して直動ユニットを構成し、一方、上記内側シリンダチューブ内に軸受で支持されたホルダー、該ホルダーに固定されたスプラインナット、及び該ナットから回転力が伝達されるスプライン軸部を有する出力軸により回転ユニットを構成し、上記直動ユニットの内側シリンダチューブ内に回転ユニットのホルダーを軸受により回転自在に保持させると共に、スプライン軸部を有する出力軸をピストンのロッドに対して軸受により回転自在に連結しているので、出力軸の回転力はピストンには伝達されず、ピストンは往復動のみを行い、また、逆にピストンのシール部の摩擦が出力軸に抵抗として作用することもない。
更に、ホルダー及び出力軸を含む回転ユニットは常に大気圧環境にある構成としているため、出力軸の滑り軸受部の潤滑等に空気圧の影響を受けることがなく、それらの構成が簡単化される。

以上に詳述した本発明の直動・回転複合アクチュエータにおいては、出力軸を回転させる場合に、ピストンのシール部における摩擦抵抗に抗して回転駆動機構を回転駆動する必要がなく、また、出力軸に回転力が与えられても、それがピストンには伝達されないために、ピストンのシール部に直動と回転の両方のシール機能を受け持たせることがなく、シール性能を十分に発揮させると共に長寿命化することができる。また、出力軸を回転させるためのホルダーを含む回転ユニットを大気圧環境に置くようにしたので、直動・回転複合アクチュエータの構成を全体的に簡単化することができる。

図１は本発明に係る直動・回転複合アクチュエータの第１実施例を示している。この実施例の直動・回転複合アクチュエータは、直動ユニット１０と回転ユニット２０を結合することにより構成され、概略的には、上記直動ユニット１０は、外側シリンダチューブ１１内に内側シリンダチューブ１２を同心状に設け、両シリンダチューブ１１，１２間に形成される筒状のシリンダ室１３に流体圧駆動されるピストン１４を嵌装して構成され、上記回転ユニット２０は、上記内側シリンダチューブ１２内に第１軸受２２で支持されたホルダー２１、該ホルダー２１に固定されたスプラインナット２３、及び該ナット２３から回転力が伝達されるスプライン軸部２５を有する出力軸２４を備え、上記ホルダー２１にそれを回転駆動するための回転駆動機構３０を連結している。

更に具体的に説明すると、上記直動ユニット１０は、同心状の外側シリンダチューブ１１と内側シリンダチューブ１２とを、それらの基端において互いに連結して、それらの間に中空円筒状のシリンダ室１３を形成し、そこにピストンシール部１４ａを有するピストン１４を嵌装している。このピストン１４のロッド１５は、ピストン１４と同様に筒状をなし、その先端外面が外側シリンダチューブ１１におけるロッドカバー１６にシール部材１７によりシールされると同時にその摺動をガイドされ、また、該ピストンロッド１５の内面は内側シリンダチューブ１２との間にシール部材１８を介装してシールし、それによって上記ピストンロッド１５を外側及び内側シリンダチューブ１１，１２の間から外部に導出している。

上記ピストン１４を流体圧駆動するため、内側シリンダチューブ１２の基端部には、シリンダ室１３におけるピストン１４で区画された一方の圧力室に圧縮空気等の圧力流体を給排するためのポート１９を開設している。ピストン１４で区画された他方の圧力室に圧力流体を給排するためのポートは図示していないが、必要に応じてロッドカバー１６等に設けることができ、また、ピストン１４におけるロッドカバー１６側の圧力室に復帰ようスプリングを収容することもできる。

一方、上記回転ユニット２０は、上記内側シリンダチューブ１２内に一対の上記第１軸受２２，２２で回転自在ではあるが軸方向移動を拘束されて支持されたホルダー２１を備え、該ホルダー２１内にスプラインナット２３を固定している。また、このホルダー２１内には、該スプラインナット２３から回転力が伝達されるスプライン軸部２５を設けた出力軸２４を備えている。この出力軸２４は、ホルダー２１内にスリーブ２６で支持させ、上記スプラインナット２３とスプライン軸部２５により該ホルダー２１に対して相対的に回転しないが軸線方向には摺動できるように挿通したものである。そして、該出力軸２４は、上記ピストン１４のロッド１５に対して第２軸受２７により回転自在ではあるが軸線方向には一体的に移動するように連結している。

また、上記内側シリンダチューブ１２には、それに固定したブラケット２８を介して、ホルダー２１を回転駆動するための電動のモーター３１を備えた回転駆動機構３０を支持させ、その回転をホルダー２１に伝達する伝動機構として、このモーター３１の回転軸３２に固定したプーリー３３と、上記ホルダー２１における内側シリンダチューブ１２からの突出部に固定したプーリー３４との間に、ベルト３５を巻き掛けている。上記回転駆動機構３０としては、電動のモーター３１を用いる必要がなく、回転駆動を行うための適宜手段を採用することができる。上記伝動機構としても、上記プーリー及びベルト以外の巻き掛け伝動機構や歯車伝動機構等を用いることができる。また、図示の実施例では、その回転駆動機構３０を内側シリンダチューブ１２に支持させるようにしているが、外側シリンダチューブ１１等の適宜固定部分に支持させることができる。

上記構成を有する直動・回転複合アクチュエータは、外側及び内側シリンダチューブ１１，１２間のシリンダ室１３に圧力流体を給排してピストン１４をその軸線方向に駆動すると共に、電動モーター３１の駆動によりホルダー２１を回転させると、該ホルダー２１に固定されたスプラインナット２３から出力軸２４のスプライン軸部２５に回転力が伝達され、また、ピストン１４のロッド１５先端部に上記第２軸受２７を介して連結された出力軸２４が、該ピストン１４の駆動により直進駆動され、その結果、出力軸２４に直動及び回転力が、相互に無関係な駆動力として伝達される。即ち、出力軸２４の回転力はピストン１４には伝達されず、ピストン１４は往復動のみを行い、また、逆にピストン１４のシール部の摩擦が出力軸２４に抵抗として作用することもない。その結果、ピストン１４のシール部１４ａに直動と回転の両方のシール機能を受け持たせることがなく、シール性能を十分に発揮させると共に長寿命化することができる。

更に、上述したところから明らかなように、内側シリンダチューブ１２内に収容されているホルダー２１及び出力軸２４を含む回転ユニットは、常に大気圧環境にあるように構成されているため、スプライン軸がシリンダ室を貫通する場合のように、出力軸の滑り軸受部の潤滑等に空気圧の影響を受けることはない。

上記図１の第１実施例では、ホルダー２１における内側シリンダチューブ１２からの突出部にプーリー３４を取付け、該プーリー３４を含む伝動機構を介してモーター３１から回転力を伝達するようにしているが、上記伝動機構を介在させることなく、ホルダー２１自体を各種ロータリアクチュエータの回転軸として、直動・回転複合アクチュエータを構成することができる。

図２に示す第２実施例は、上記ホルダーを回転させる回転駆動機構３０として、上記出力軸２４の軸線上に該ホルダー４１を直接的に回転駆動するスクリュータイプのロータリアクチュエータ４２を設けた例を示すもので、このロータリアクチュエータ４２を設けた点の構成を除いて、直動ユニット１０及び回転ユニット２０の構成及び作用は前記第１実施例の場合と実質的に変わるところがないので、第１実施例と同一の部分に同一の符号を付してそれらの説明を省略し、以下においては第１実施例と相違する部分についてのみ説明する。

この第２実施例の回転ユニット２０における上記ホルダー４１は、内側シリンダチューブ１２の下端部を閉鎖する端蓋４３を貫通し、更に、該端蓋４３の外面に取り付けたロータリアクチュエータ４２のケーシング４４をも貫通して導出されている。そして、該ホルダー４１の外周部に設けられるロータリアクチュエータ４２は、上記ケーシング４４とホルダー４１との間に第２のシリンダ室４５を形成し、このシリンダ室４５内に回転駆動用ピストン４６を嵌挿している。このピストン４６は、シリンダ室４５における該ピストン４６の両側の圧力室に図示しない給排ポートから圧力流体を給排することにより、その軸線方向に摺動するものであるが、このピストン４６の外面に複数の直線溝４７を設けて、ケーシング４４の内面に突設したピン４８をそれらの溝４７に嵌入しているので、上記摺動に際して軸線の周りの回転は該ピン４８により拘束される。

また、上記ケーシング４４内に位置するホルダー４１の表面にヘリカル溝４９を設け、そのヘリカル溝４９にピストン４６の内面に突設したピン５０を嵌入している。従って、上記ピストン４６の軸方向移動に伴って、該ピストン４６の内面のピン５０によりホルダー４１が回転駆動される。
なお、上述した回転駆動機構は、第１及び第２実施例として例示した駆動機構に限るものではなく、他の機構を採用することができ、例えば、ホルダーの外周部にギヤを加工してそれに噛合するラックを直線往復動させるラックタイプのロータリアクチュエータ等を用いることもできる。

本発明に係る直動・回転複合アクチュエータの第１実施例を示す断面図である。本発明に係る直動・回転複合アクチュエータの第2実施例を示す断面図である。

符号の説明

１１外側シリンダチューブ
１２内側シリンダチューブ
１３シリンダ室
１４ピストン
１５ピストンロッド
２１，４１ホルダー
２２，２７軸受
２３スプラインナット
２４出力軸
２５スプライン軸部
３０回転駆動機構
４２ロータリーアクチュエータ

Claims

外側シリンダチューブ内に内側シリンダチューブを同心状かつ相互に固定された状態に設け、両シリンダチューブ間に形成される筒状のシリンダ室内に、流体圧駆動される筒状のピストンと該ピストンに連なる筒状のロッドとを、シール部材を介して上記シリンダチューブの軸線方向に摺動自在に嵌装し、
上記内側シリンダチューブ内に、筒状のホルダーを第１軸受を介して回転自在かつ軸方向移動は拘束された状態に設けると共に、このホルダーを回転駆動機構により回転駆動可能とし、該ホルダー及び上記ロッドの内部に出力軸を挿通して、この出力軸を、上記ホルダーに対しては相対的に回転しないが軸線方向には摺動するように連結すると共に、上記ロッドに対しては第２軸受により相互に回転自在ではあるが軸線方向には一体化されて移動するように連結した、
ことを特徴とする直動・回転複合アクチュエータ。
上記ホルダーと上記出力軸とは、該ホルダーに固定されたスプラインナットと上記出力軸の一部に形成されたスプライン軸部とで連結されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の直動・回転複合アクチュエータ。
上記ホルダー及び出力軸を全て大気圧環境に配置している、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の直動・回転複合アクチュエータ。
上記回転駆動機構が、上記外側シリンダチューブまたは内側シリンダチューブに設けられると共に、該回転駆動機構の回転を上記ホルダーに伝達する伝動機構を備えている、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直動・回転複合アクチュエータ。
上記回転駆動機構が、上記出力軸の軸線上に上記ホルダーを直接回転駆動するものとして設けられている、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直動・回転複合アクチュエータ。