JP4902607B2 - 直動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電動式の直動アクチュエータに関連し、特に疲労試験装置や、自動車等の大重量物を振動させる大型振動試験装置等において必要とされる、高出力で高い繰り返しレートの直線往復駆動が可能な電動式の直動アクチュエータに関する。

直動アクチュエータには、回転式電動モータにラック・ピニオン機構等の変換器を組み合わせたものをはじめとして、リニアモータ、油圧式アクチュエータ、空気圧式アクチュエータ等、様々な機構のものが知られている。

疲労試験装置や、自動車等の大重量物を試験するための振動試験装置等においては、大荷重且つ高い繰り返しレート（例えば数１０Ｈｚ以上）で直線往復駆動できるアクチュエータを使用する必要がある。また、このような試験装置において使用されるアクチュエータは、例えばサイン曲線等の所定の時間関数に従って時間変化する変位を正確に出力する必要があり、入力制御信号に対して極めて低ノイズで忠実度の高い応答特性をもつことが求められる。

従来、このような条件を満たす直動アクチュエータは油圧式アクチュエータに限られていた。油圧式アクチュエータは油圧ポンプ等の油圧源が供給する油圧によって作動するアクチュエータであり、直動アクチュエータとしては油圧シリンダ機構が広く使用されている。

油圧式アクチュエータは、油圧源が発生する油圧を伝達する媒体である作動油で内孔が充填された金属管等の油圧パイプで油圧源と接続される。油圧アクチュエータは、この油圧パイプによって伝達される油圧エネルギーによって作動する。油圧パイプの配管の中途には油圧制御弁が設けられており、油圧制御弁によって油圧ポンプに伝達される油圧を制御することでアクチュエータの駆動が制御される。

このように、油圧式アクチュエータにおいては、油圧源を別途設置する必要があるため、電動式アクチュエータよりも広い設置スペースを必要とする。また、アクチュエータの稼動の有無に係わらず、油圧源は常に一定の油圧を供給する必要があり、油圧システムは一般にエネルギー利用効率が低い。また、油圧システムで使用される作動油は劣化するため、定期的に交換する必要がある。作動油の他にも、オイルフィルタや油圧制御弁等も定期的に交換する必要があり、メンテナンスに要する費用や労力が大きいといった短所がある。また、メンテナンスのためにシステム全体を定期的に停止させなければならないという問題もある。

更に、油圧源や油圧配管の接続部、あるいはアクチュエータ自体からしばしば作動オイルが漏れることがあり、大規模な油圧システムが稼動する工場等では深刻な土壌汚染を引き起こす可能性もある。従って、油圧システムと比べてメンテナンスがほとんど必要なく、且つ環境汚染の心配のないアクチュエータを使用した試験装置が望まれていた。このようなアクチュエータとしては、例えば電動式の直動アクチュエータが考えられる。

電動式の直動アクチュエータには、リニアモータの他、回転運動を直線運動に変換する変換器（例えば、ラック・ピニオン機構や送りねじ機構等）を回転式電動モータに連結したものがある。リニアモータは最も簡単な構成の電動式の直動アクチュエータであるが、可動部のイナーシャが大きいため、高い繰り返しレートでの往復駆動には適さない。また、ラック・ピニオン機構は駆動に必要な軸トルクが大きいため大型のモータが必要になり、やはり早い反転速度で駆動させることが難しい。従って、イナーシャの小さな回転式電動モータと駆動トルクの小さな送りねじ機構とを組み合わせたものが、大型振動試験装置等の高い繰り返しレートと大荷重が要求される用途に最も好適な電動式アクチュエータの構成といえる。

特開平７−２７６６９号公報

回転式電動モータの駆動力を完全に送りねじ機構に伝達させようとする場合、モータの駆動軸と送りねじとを、どの運動成分に対しても軸と同等以上の剛性を有するリジッドカップリングを使用することが理想的である。しかしながら、リジッドカップリングは連結する軸間の僅かな軸ずれ（偏心、偏角）をも許容しないため、アライメントが非常に難しい。また、僅かなミスアライメントによっても駆動系に大きな内部ひずみが発生するため、アクチュエータの寿命が短くなるという問題がある。また、この内部ひずみが原因で発生する異常振動によって、アクチュエータを使用する試験装置に不要な振動ノイズを与え、試験精度を低下させてしまうといった問題もある。

このようなリジッドカップリングにおけるアライメントの問題を解消するために、弾性体の部材の変形によってミスアライメントを吸収して内部ひずみを緩和させるフレキシブルカップリングが一般に使用されている。このフレキシブルカップリングは、駆動力を伝達させる捩り方向の力に対しても僅かながら弾性変形を示す。このねじり方向の僅かなたわみ性は、単に駆動力を伝達させる目的においては特に問題とはならない。しかし、振動試験装置のように駆動量と応答の大きさとの関係を定量的に評価するための装置においては、駆動量の制御精度を低下させるこのような捩り方向のたわみ性は試験精度を低下させるため、大きな問題となる。

更に、リジッドカップリングを使用する場合には、軸出力だけでなく、モータが発生する駆動軸方向（すなわち、直動アクチュエータの作動方向）の振動までもが変換器に伝達されて、直動アクチュエータの出力にノイズ成分として加わることになる。このノイズは、特に高精度の振動試験において、試験精度に影響を与える一つの要因となる。従って、軸出力をリジッドに伝達する特性を維持しつつも、軸ずれによって生じる曲げ応力に対してたわみ性を有し、更に、モータが発生する軸方向の振動を遮断するようなカップリング方法の改善が望まれていた。

上記の問題を解決するため、本発明により直動アクチュエータが提供される。本発明の実施形態に係る直動アクチュエータは、駆動軸を往復回転運動させる電動モータと、ボールねじと、ボールねじと電動モータの駆動軸とを同軸に連結するセミリジッドカップリングと、 ボールねじと係合するナットと、ナットの移動方向を前記ボールねじの軸方向のみに制限するリニアガイドと、一面に前記電動モータが固定され、他面に前記リニアガイドが固定された支持プレートとを備えた直動アクチュエータが提供される。支持プレートにはボールねじが垂直に挿通する開口が設けられ、開口にはボールねじを回転可能に支持する軸受が固定されている。セミリジッドカップリングは、中心にテーパ穴が貫通形成された剛体要素である一対の外輪と、一対の外輪の間に配置され、中心に連結する軸を通すための円柱状の貫通穴が形成され、外周の軸方向両端に前記一対の外輪のテーパ穴の内周と夫々係合可能なテーパ面が形成された、弾性要素または粘弾性要素である内輪とを備えている。内輪の貫通穴にボールねじ及び電動モータの駆動軸が差し込まれ、内輪のテーパ面に一対の外輪のテーパ穴の内周が当接し、一対の外輪同士がボルトで互いに固定されることにより、内輪を介して電動モータの駆動軸の先端とボールねじの軸部の先端とを間隔を離して連結するように構成されている。

上記セミリジッドカップリングは、ボールねじと電動モータの駆動軸との連結にボールねじ及び電動モータの駆動軸と同等以上のねじり剛性を与えると共に曲げ方向にたわみ性を与え、且つ、電動モータの駆動軸の延長方向の振動の伝達を阻害するように構成されていることが望ましい。このように構成されたセミリジッドカップリングでモータの駆動軸と送りねじとを連結することにより、高い応答性をもって送りねじを駆動させつつ、多少の軸ずれがあっても極端に大きな内部ひずみを発生することなくスムーズな駆動を可能にし、尚且つモータ駆動軸方向の振動を遮断することができる。また、単一の支持プレートにモータ及びリニアガイドを取り付け、支持プレートに設けられた開口に外輪が固定された軸受によりボールねじを回転可能に支持する構成とすることによって、高出力かつ高い繰り返しレートでの直線往復駆動を低いトルクで行うために必要となる、高精度な軸の位置決め及びその維持を容易に行うことが可能となる。従って、本発明の構成によれば、自動車等の重量物の高精度な振動試験において加振装置として使用できる、高い繰り返しレートで高出力の直線往復駆動が可能な、忠実性が高く且つ低ノイズの直動アクチュエータが実現される。

好ましくは、セミリジッドカップリングは樹脂等から作られる粘弾性要素を備えている。より好ましくは、セミリジッドカップリングは、所望の周波数（例えば、モータの駆動周波数やモータの駆動軸の固有振動数）における振動の減衰率が最大になるように構成されている。このような構成とすることにより、モータから駆動軸を介して伝わる軸方向の振動を、セミリジッドカップリング内の粘弾性要素によって効果的に減衰させることで、出力側に伝達することを阻害することが可能になる。

また、好ましくは、セミリジッドカップリングは、剛体要素である一対の外輪と、この一対の外輪の間に配置された、弾性要素または粘弾性要素を含む内輪とを有している。外輪の中心にはテーパ状の貫通穴が、内輪の中心には連結する軸を挿通するための円柱状の貫通穴が夫々設けられている。また、内輪の両端の外周には、一対の外輪のテーパ状の貫通穴の内壁とそれぞれ係合するテーパ部が形成されている。この一対の外輪をボルトで締結することによって内輪を介して軸が連結される。また、電動モータは５００Ｈｚの繰り返しレートで反転駆動可能な低慣性のサーボモータであることが望ましい。このような構成とすることにより、軸出力を略リジッドに伝達しつつ、軸方向の振動を吸収するセミリジッドカップリングを極めて簡単な構成で実現することができる。これにより、振動ノイズが少なく応答性の高い直動アクチュエータが実現される。このように構成された本発明の実施形態に係る直動アクチュエータは、例えば５００Ｈｚの繰り返しレートの直線往復運動を発生することができる。

また、軸受はアンギュラ玉軸受であることが望ましい。より好ましくは、アンギュラ玉軸受は組合せアンギュラ玉軸受、より具体的には正面組合せ形の組合せアンギュラ玉軸受である。このような構成とすることにより、軸受に加わる両方向のアキシアル荷重に対して十分な強度を確保することができる。

また、送りねじとナットはボールねじ機構を構成することが望ましい。ボールねじ機構とすることにより、低損失かつ応答性がより高い直動アクチュエータが実現される。

また、支持プレートは１枚の金属板から構成されることが望ましく、又は代替的に溶接によって一体化された複数の金属板から構成されていてもよい。このような構成とすることで、高い精度の組み立てが可能になり、アライメントが維持されやすくなる。

また、リニアガイドの固定部と可動部の一方がレールを有し、且つ他方がレールと係合してレールに沿って移動可能なランナーブロックを有し、ランナーブロックが、レールを囲む凹部と、この凹部にランナーブロックの移動方向に沿って形成された溝と、ランナーブロックの内部に形成され溝と閉回路を形成するように溝の前記移動方向両端と繋がっている退避路と、閉回路を循環するとともに、溝に位置するときは前記レールと当接するようになっている複数のボールと、を有する構成とすることが好ましい。更に、ランナーブロックには上記の閉回路が４つ形成されており、この４つの閉回路のうち２つの閉回路の溝の夫々に配置されたボールはリニアガイドのラジアル方向に対して略±４５度の接触角を有し、他の２つの閉回路の溝の夫々に配置されたボールはリニアガイドの逆ラジアル方向に対して略±４５度の接触角を有する構成とすることが望ましい。

このような構成のリニアガイドを使用すると、試験片に大荷重を加える場合であっても、送りねじ機構のナットはがたつくことなく、スムーズにリニアガイドに沿って動くことができる。

以上のように、本発明によれば、高出力かつ高い繰り返しレートの直線往復駆動が可能であり、尚且つ、振動試験等において必要となる制御信号に対する低ノイズかつ極めて忠実度の高い応答が可能な直動アクチュエータが実現される。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る直動アクチュエータ１ａを使用した自動車振動試験システム１０００によって被検車両Ｃの振動試験を行っている様子を示す図である。自動車振動試験システム１０００は、本発明の実施形態に係る直動アクチュエータ１ａが組み込まれた４台の加振装置１と、図示しないシステム制御装置とから構成されている。なお、本実施形態の自動車振動試験システム１０００は、４輪車である被検車両Ｃに対して振動試験を行うものであり、４台の加振装置１の上に、被検車両の４つの車輪Ｗが夫々配置されるようになっている（図１中には、加振装置１及び車輪Ｗは２組のみ記載）。

自動車振動試験システム１０００を構成する４台の加振装置１は、鉛直方向の振動を発生（直線往復駆動）する同一構造の装置であり、それぞれシステム制御装置に接続されている。システム制御装置は、各加振装置１を同期制御して、加振装置１上に載置された被検車両Ｃの４つの車輪Ｗの夫々に別々の振動を与えることができるようになっている。これによって、自動車が実際の走行時に路面から受ける様々な振動をシミュレートして被検車両Ｃに与えることができる。また、システム制御装置は、被検車両Ｃに取り付けられた種々の計測器（例えば、加速度計、ひずみゲージ等）にも接続されており、各加振装置１が被検車両Ｃに加える振動データと各センサが取得するデータとを同期して記録することができるようになっている。更に、システム制御装置は、振動試験中又は試験後に記録したデータを解析して、例えば被検車両Ｃが路面から受ける振動に対する応答特性を図示しない出力装置（例えば、表示装置、印刷装置、又は記憶装置）に出力することができるようになっている。

各加振装置１の上端に設けられているアタッチメント３１ｂには被検車両Ｃの車輪Ｗを固定するための既知の車輪把持手段２が取り付けられており、車輪把持手段２を介して各加振装置１の上に車輪Ｗを１輪ずつ載せるようにして振動試験システム１０００に被検車両Ｃが設置される。本実施形態においては、被検車両Ｃは図示しないクレーンによって加振装置１上に載置されるが、加振装置１をピット内に配置することによって被検車両Ｃが自走して加振装置１上に配置されるようにしてもよい。

加振装置１は、フレーム１０と、本発明の実施形態に係る直動アクチュエータ１ａとから構成される。フレーム１０は、ベースＢに固定されている底部１２と、底部１２の上面四隅から鉛直方向上方に夫々伸びる４つの脚部１４と、脚部１４の上端を連結するように設けられている天板１６とを有する。

加振装置１の底部１２には、加振装置１をベースＢに対して解除可能に固定できる図示されない固定手段と、固定手段を解除したときに加振装置１をベースＢ上で水平方向に移動可能にする図示されない移動手段とが設けられている。試験時には固定手段を有効にして試験の振動によって加振装置１が移動しないようにし、セッティング時には固定手段を解除するとともに移動手段を作動させることによって車輪把持手段２の配置間隔が被検車両Ｃの車輪Ｗの間隔と一致するように各加振装置１を移動させることができるようになっている。

次に、直動アクチュエータ１ａの構造について説明する。図２は加振装置１に搭載されている直動アクチュエータ１ａ及びその周辺の縦断面図である。本発明の実施形態に係る直動アクチュエータ１ａは、ＡＣサーボモータ３５が出力する回転運動を送りねじ機構にて直動運動に変換して、アタッチメント３１ｂを上下動させるようになっている。

フレーム１０の天板１６の上面１６ａ上には、支持プレート３３が天板１６の中央に開けられた開口１６ｂを塞ぐように配置され、支持プレートの側面３３ａの下端が天板の上面１６ａに全周溶接されるとともに、支持プレートの下面５０ｂと天板の内側側面１６ｂとが溶接される。これによって、支持プレート３３は、フレーム１０を介してベースＢ（図１）に剛体支持されることになる。

支持プレート３３は、厚さ方向の寸法を充分に大きくとった鋼板であり、試験時に直動アクチュエータ１ａに加わる荷重に対して実質剛体と見なすことができる。この支持プレート３３の下面には、モータ支持フレーム３７を介してＡＣサーボモータ３５が固定されている。図示されているように、モータ支持フレーム３７の側壁には複数のリブ３７ａが形成されている。そして、モータ支持フレーム３７およびリブ３７ａの上端と支持プレート３３の下面３３ｂとを全周溶接することによって、支持プレート３３とモータ支持フレーム３７とは、高い剛性をもって一体化されている。

ＡＣサーボモータ３５は、発明者らが独自に開発した高速反転駆動が可能な高出力ＡＣサーボモータであり、従来のＡＣサーボモータに対してイナーシャを大幅に低減することによって、最大５００Ｈｚの繰り返しレートで出力を発生する。

支持プレートの上面３３ｃには、リニアガイド４０のガイドフレーム４２がボルト等によって固定されている。ガイドフレーム４２は、鉛直方向に伸びる一対の側壁４２ａと、この側壁４２ａ同士を上端で連結する上部壁面４２ｂとを有し、全体として逆Ｕ字状の形状となっている。

ガイドフレーム４２の内部には、可動部３１が配置されている。また、側壁４２ａの内側の面には、鉛直方向に伸びる一対のレール４４が固定されている。可動部３１の図２中左右両端には、一対のレール４４の夫々と係合する一対のランナーブロック４６が設けられており、ランナーブロック４６の移動をレール４４が案内することによって、可動部３１の移動方向は上下方向のみに限定される。

可動部３１には、ボール循環機能を備えたボールナット３１ａが埋めこまれている。ボールナット３１ａは、サーボモータ３５の回転軸３５ａに連結されているボールねじ３６の上部に形成されたねじ部３６ａと係合している。前述のように、可動部３１の移動方向はリニアガイド４０によって上下方向のみに限定されているので、ボールねじ３６を回転させると、ボールナット３６ａはボールねじ３６と共に回転することはなく、上下方向に移動する。そして、ボールナット３１ａが埋め込まれている可動部３１もまた、上下方向に移動する。可動部３１の上部には、前述のアタッチメント３１ｂが形成されており、可動部３１の上下動に伴ってアタッチメント３１ｂが上下動する。以上のように、本実施形態によれば、サーボモータ３５を駆動することによってアタッチメント３１ｂを上下動させることができる。

なお、ガイドフレーム４２の上部壁部４２ｂの中央部には開口部４２ｃが設けられており、可動部３１はこの開口部４２ｃを貫通し、その上端のアタッチメント３１ｂは上部壁部４２ｂの上側に配置されている。本実施例においては、前述のように、アタッチメント３１ｂｃには被検車両Ｃの車輪Ｗを固定するための車輪把持手段２が取り付けられている（図１）が、実施する試験の対象や方法に適した種々の治具を取り付けることができるようになっている。

ボールねじ３６の下部は、ナット４４ａと係合するための溝が形成されていない軸部３６ｂとなっている。この軸部３６ｂは、セミリジッドカップリング３００を介してＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａと連結されている。詳細な構成は後述するが、本実施形態のセミリジッドカップリング３００は、ねじり剛性が極めて高くなるように構成されており、ＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａに加わるトルクを高い応答性をもってボールねじ３６に伝達させることができる。また、セミリジッドカップリング３００は、その内部の樹脂部材によって長さ方向の軸の変位を柔軟に吸収するように構成されており、ＡＣサーボモータ３５の駆動軸２４から伝わるＡＣサーボモータ３５が発生する軸方向の振動を大幅に減衰させ、ボールねじ３６に伝わり難くなっている。

次に、セミリジッドカップリング３００の構造につき説明する。図３は、セミリジッドカップリング３００及び、このセミリジッドカップリング３００を介して互いに連結されるＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａとボールねじ３６の軸部３６ｂを示す拡大断面図である。

図示されているように、セミリジッドカップリング３００は、ナイロン製の内輪３６０と、一対のジュラルミン製の外輪３２０及び３４０、及びこれらを締結する複数（本実施形態では６つ）のボルト３８２から構成されている。内輪３６０の中央には、内部で相互に連絡する丸穴３６２ａ、３６２ｂが同軸上に設けられている。丸穴３６２ａの内径はＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａが隙間なく挿入できる大きさであり、丸穴３６２ｂの内径はボールねじ３６の軸部３６ｂが隙間なく挿入できる大きさとなっている。なお、本実施形態においては、ボールねじ３６の軸部３６ｂはＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａよりも小径であるので、丸穴３６２ｂの外径は丸穴３６２ａの外径よりも小径となっている。

内輪３６０の軸方向中央にはフランジ部３６０ａが形成されている。フランジ部３６０ａの両面中央部からは、軸方向に伸びるテーパ部がそれぞれ形成されている。テーパ部の外側面３６４、３６６は、軸方向先端に近づくほど外径が小さくなる円錐面状のテーパ面となっている。また、内輪３６０を挟む一対の外輪３２０、３４０の中央には、それぞれテーパ形状の内側面３２２、３４２をもつ貫通穴が形成されている。外輪３２０と３４０は、それぞれ内側面３２２、３４２のテーパ面が開く方向を内輪側に向けて配置されている。外輪３２０、３４０のテーパ形状の内側面３２２、３４２は、それぞれ内輪３６０の外側面３６４、３６６と同じテーパ角をもっている。そして、外輪３２０の内側面３２２と内輪３６０の外側面３６４、外輪３４０の内側面３４２と内輪３６０の外側面３６６とが重なるように、内輪の両端に形成されたテーパ部が外輪３２０、３４０の貫通穴に差し込まれている。

また、外輪３４０の貫通穴の周囲には、ボルト３８２の先端部に形成されたおねじと係合するめねじ３４４が、貫通穴の軸を中心とする円周上に等間隔に形成されている。また、外輪３２０と内輪３６０のフランジ部３６０ａにもめねじ３４４に対応する位置にボルト穴３２４、３６８がそれぞれ形成されており、６本のボルト３８２が外輪３２０のボルト穴３２４及び内輪３６０のボルト穴３６８を通して外輪３４０のめねじ３４４と係合している。

内輪３６０の丸穴３６２ａに下方からＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａの先端が、丸穴３６２ｂに上方からボールねじ３６の軸部３６ｂの先端が差し込まれた後、ボルト３８２を締結すると、内輪３６０は両側から外輪３２０と外輪３４０とで強く挟まれ、外輪３２０、３４０の貫通穴に内輪３６０の２つのテーパ部がそれぞれ深く嵌入される。このため、くさびの原理によって、内輪３６０の丸穴３６２ａ、３６２ｂからＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａ及びボールねじ３６の軸部３６ｂにそれぞれ強い側圧が加えられる。従って、丸穴３６２ａ、３６２ｂと駆動軸３５ａ、ボールねじ軸部３６ｂとの間にそれぞれ強力な摩擦力が発生し、駆動軸３５ａとボールねじ軸部３６ｂとが内輪３６０を介して一体に連結される。この結果、セミリジッドカップリング３００による連結部のねじり剛性は、送りねじ３６やＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａと同等以上となる。

図３に示されているように、外輪３２０と３４０との間は、粘弾性体であるナイロン樹脂で形成された内輪のみで支持されている。また、セミリジッドカップリング３００において、ＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａの先端と、ボールねじ３６の軸部３６ｂの先端とは、わずかな（例えば、約１ミリメートル）の間隔を離して連結されている。従って、モータから軸を圧縮する方向の力が加わった場合には、内輪３６０が弾性変形して、この駆動軸３５ａとボールねじ３６との間隔が狭まることにより、セミリジッドカップリング３００内で軸方向の力を吸収して、ボールねじ３６側に伝わる力を大幅に減衰させることができる。本実施形態においては、内輪３６０の振動減衰率は駆動軸３５ａの固有振動数において略最大となっている。これにより、駆動軸３５ａの軸方向、又は、軸の半径方向の振動を効果的に減衰させることができる。

一方、上述のように、ＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａの先端と、ボールねじ３６の軸部３６ｂの先端との間隔は１ミリメートル程度と短く、また、各軸の先端は全周が内輪と一体化されている。このため、捩り方向には十分にリジッドに連結されており、ＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａの回転駆動を正確にボールねじ３６に伝達することができる。

図２に示されるように、支持プレート３３の中央には貫通孔３３ｄが設けられており、ボールねじ３６はこの貫通孔３３ｄを貫通している。本実施形態においては、試験時にスラスト方向の大荷重を受けるボールねじ３６を回転可能に支持するため、貫通孔３３ｄの位置に軸受部６０を設けている。以下、この軸受の構造について説明する。

図４は、支持プレート３３の貫通孔３３ｄ付近の縦断面図である。図４に示されているように、貫通孔３３ｄには、円環形状の第１軸受取付部材６２が嵌入されている。第１軸受取付部材６２の上端には半径方向外側に広がるフランジ部６２ａが形成されている。フランジ部６２ａは溶接によって支持プレート３３と一体に固定されている。なお、フランジ部１５２ａと支持プレート３３との溶接は、ボールねじ３６の位置決めが完了した後に行われる。

また、ボールねじ３６のねじ部３６ａと軸部３６ｂとの間には、軸部３６ｂ側が小径となるような段差が設けられている。この段差の部分に、第１カラー６４が配置されている。第１カラー６４は軸部３６ｂの外径とほぼ同程度の内径を有しており、第１カラー６４をボールねじ３６の軸部３６ｂ側（下方）から通すと、段差部分で引掛かって止まる。そして、第１カラー６４の下には、組合せアンギュラ玉軸受６１、第２カラー６５が順次装着される。また、ボールねじ３６の軸部３６ｂの中途にはおねじ３６ｃが形成されており、第１カラー６４、組合せアンギュラ玉軸受６１、第２カラー６５をボールねじ３６の軸部３６ｂに装着した後、ナット６６をボールねじ３６のおねじ３６ｃに取り付けることによって、第１カラー６４と第２カラー６５との間で組合せアンギュラ玉軸受６１の内輪が支持される。

円環形状の第１軸受取付部材６２の開口には組合せアンギュラ玉軸受６１が上方から嵌入されている。第１軸受取付部材６２の開口の下方には、内径が組合せアンギュラ玉軸受６１の外径よりも小さくなるような段差が設けられており、上方から嵌入された組合せアンギュラ玉軸受６１の外輪がこの段差に引掛かることで、第１軸受取付部材６２に下方から支持される。

また、第１軸受取付部材６２の上部には、第２軸受取付部材６３が配置されている。第２軸受取付部材６３は、ボルト６８によって、第１軸受取付部材６２に締結されている。第２軸受取付部材６３の下面は組合せアンギュラ玉軸受６１の外輪と当接しており、これによって組合せアンギュラ玉軸受６１の外輪を第１軸受取付部材６２と一体に固定している。

組合せアンギュラ玉軸受６１は、一対のアンギュラ玉軸受６１ａ、６１ｂの正面同士を対向させるように組み合わせたもの（正面組合せ）である。本実施形態においては、振動試験時にボールねじ３６が上下方向の大荷重を受ける。このため、一対のアンギュラ玉軸受を正面組合せで組み合わせて、上下両方向のスラスト荷重を支持可能な構成としている。また、正面組合せの組合せアンギュラ玉軸受６１は、軸（ボールねじ３６の軸部３６ｂ）に撓みが発生した時であっても軸受内部の応力集中は起こりにくいので、軸受自身の破損が起きにくい。なお、組合せアンギュラ玉軸受の構成は、一対のアンギュラ玉軸受の背面同士を対向させるように組み合わせた背面組合せの組合せアンギュラ玉軸受を使用してもよい。当然ながら、３つ以上のアンギュラ玉軸受を組み合わせた組合せアンギュラ玉軸受を使用してもよい。

前述のように、本実施形態における直動アクチュエータ１ａは、高出力で高い繰り返しレートの反転駆動が可能な低慣性ＡＣサーボモータ３５、捻り剛性が高く、なおかつ軸方向の振動を吸収するセミリジッドカップリング３００、更に応答性が高く且つ低トルクで低損失に動作可能なボールねじ機構を使用することによって、自動車等の重量物用の振動試験装置等に適用可能な、高出力、高繰り返しレートで、制御信号に対して低ノイズかつ高い忠実度を有する作動を実現している。前述の通り、このような低損失で高い応答性を有するアクチュエータを実現するためには、連結するＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａとボールねじ３６、及びボールねじ３６を回転可能に支持する軸受部６０の相対配置を極めて高精度に位置決めする必要がある。そのために、本実施形態においては、剛性の高い支持プレート３３上にこれらの要素を全て配置することによって、容易に高精度で組み立てることができ、かつ、組立後も高い精度が安定して維持されるようになっている。

次に、本実施形態によるリニアガイド４０のレール４４及びランナーブロック４６（図２）の構成について、図面を用いて詳細に説明する。図５は、レール４４及びランナーブロック４６を、レール４４の長軸方向に垂直な一面（すなわち水平面）で切断した断面図であり、図６は図５のＩ−Ｉ断面図である。図５及び図６に示されるように、ランナーブロック４６にはレール４４を囲むように凹部が形成されており、この凹部にはレール４４の軸方向に延びる４本の溝４６ａ、４６ａ’が形成されている。この溝４６ａ、４６ａ’には、多数のステンレス鋼製のボール４６ｂが収納されている。レール４４には、ランナーブロック４６の溝４６ａ、４６ａ’と対向する位置にそれぞれ溝４４ａ、４４ａ’が設けられており、ボール４６ｂが溝４６ａと溝４４ａ、又は溝４６ａ’と溝４４ａ’との間に挟まれるようになっている。溝４６ａ、４６ａ’、４４ａ、４４ａ’の断面形状は円弧状であり、その曲率半径はボール４６ｂの半径と略等しい。このため、ボール４６ｂは、あそびのほとんど無い状態で溝４６ａ、４６ａ’、４４ａ、４４ａ’に密着する。

ランナーブロック４６の内部には、溝４６ａの夫々と略平行な４本のボール退避路４６ｃ、４６ｃ’が設けられている。図６に示されるように、溝４６ａと退避路４６ｃとは、夫々の両端でＵ字路４６ｄを介して接続されており、溝４６ａ、溝４４ａ、退避路４６ｃ、及びＵ字路４６ｄによって、ボール４６ｂを循環させるための循環路が形成される。溝４６ａ’、溝４４ａ’及び退避路４６ｃ’によっても、同様の循環路が形成されている。

このため、ランナーブロック４６がレール４４に対して移動すると、多数のボール４６ｂが溝４６ａ、４６ａ’、４４ａ、４４ａ’を転がりながら循環路を循環する。このため、レール軸方向以外の方向に大荷重が加わっていたとしても、多数のボールでランナーブロックを支持可能であると共にボール４６ｂが転がることによりレール軸方向の抵抗が小さく保たれるので、ランナーブロック４６をレール４４に対してスムーズに移動させることができる。なお、退避路４６ｃ及びＵ字路４６ｄの内径は、ボール４６ｂの径よりやや大きくなっている。このため、退避路４６ｃ及びＵ字路４６ｄとボール４６ｂとの間に発生する摩擦力はごくわずかであり、それによってボール４６ｂの循環が妨げられることはない。

図示されているように、溝４６ａと４４ａに挟まれた二列のボール４６ｂの列は、接触角が略±４５°となる正面組合せ型のアンギュラ玉軸受を形成する。この場合の接触角とは、溝４６ａ及び４４ａがボール４６ｂと接触する接触点同士を結んだ線が、リニアガイドのラジアル方向（ランナーブロックからレールに向かう方向であり、図５における下方向）に対してなす角度である。このように形成されたアンギュラ玉軸受は、逆ラジアル方向（レールからランナーブロックに向かう方向であり、図５における上方向）及び横方向（ラジアル方向及びランナーブロックの進退方向の双方に直交する方向であり、図５における左右方向）の荷重を支持することができる。

同様に、溝４６ａ’と４４ａ’に挟まれた二列のボール４６ｂの列は、接触角（溝４６ａ’及び４４ａ’がボール４６ｂと接触する接触点同士を結んだ線が、リニアガイドの逆ラジアル方向に対してなす角度）が略±４５°となる正面組合せ型のアンギュラ玉軸受を形成する。このアンギュラ玉軸受は、ラジアル方向及び横方向の荷重を支持することができる。

また、溝４６ａと４４ａの一方（図中左側）と、溝４６ａ’と４４ａ’の一方（図中左側）にそれぞれ挟まれた二列のボール４６ｂの列もまた、正面組み合わせ型のアンギュラ玉軸受を形成する。同様に溝４６ａと４４ａの他方（図中右側）と、溝４６ａ’と４４ａ’の他方（図中右側）にそれぞれ挟まれた二列のボール４６ｂの列もまた、正面組合せ型のアンギュラ玉軸受を形成する。

このように、本実施形態においては、ラジアル方向、逆ラジアル方向、横方向のそれぞれに働く荷重に対して、多数のボール４６ｂを有する正面組合せ型のアンギュラ玉軸受が支持することになり、レール軸方向以外の方向に加わる大荷重を十分支持できるようになっている。

次に、本実施形態の直動アクチュエータ１ａの制御計測部の構成について説明する。図７は、本実施形態の直動アクチュエータ１ａの制御計測部２００のブロック図である。本実施形態の直動アクチュエータ１ａは、実際に路面を走行したときに車両が路面から受ける振動を忠実に再現するために、５００Ｈｚまでの繰り返しレートの直線往復運動を発生することができるようになっている。

直動アクチュエータ１ａの制御計測部２００は、設定値指示ユニット２１０、駆動制御ユニット２２０を有する。

設定値指示ユニット２１０は、どのようにして可動部３１（図２）を移動させるかを指示するためのユニットである。より具体的には、可動部３１の初期位置からの変位量（目標位置）を信号として出力して駆動制御ユニット２２０に送るユニットである。設定値指示ユニット２１０は、入力インターフェース２１２と、波形生成手段２１４とを有する。

入力インターフェース２１２は、設定値指示ユニット２１０と自動車振動試験システム１０００の図示されないシステム制御装置とを接続するためのインターフェースである。システム制御装置は、どのようにして可動部３１を変位させるのかを指示する。例えば、一定方向に一定速度で可動部３１を動かすのであれば、システム制御装置は可動部３１に与える変位速度を入力インターフェース２１２に送信する。また、一定波形の振動を発生させる場合には、システム制御装置は可動部３１の振幅、周波数、及び波形（正弦波と三角波のいずれの波形を使用するか、等）を入力インターフェース２１２に送信する。入力インターフェース２１２に入力された指示は、波形生成手段２１４に送られる。

波形生成手段２１４は、入力インターフェース２１２より送信された指示を解釈し、可動部３１の初期位置からの変位量を逐次演算し、これを駆動制御ユニット２２０に送信する。なお、振動試験を行う際は、単一の正弦波や三角波といった一定の波形・周波数で可動部３１を駆動するだけに留まらず、様々な振幅や周波数をもつ関数から合成された任意の波形関数に基づいて可動部３１を駆動することも可能である。例えば、周波数の異なる正弦波を掛け合わせた関数に基づき、可動部３１の振幅が経時変化するように、可動部３１を駆動させることも可能である。

可動部３１の変位量はディジタル信号として波形生成手段２１４から出力される。このため、波形生成手段２１４から駆動制御ユニット２２０に送信される信号は、まずＤ／Ａコンバータ２２２に入力されてアナログ信号に変換される。アナログ信号に変換された可動部３１の変位量情報は、次にアンプ２２４に送られる。そして、アンプ２２４は、Ｄ／Ａコンバータ２２２から送られた可動部３１の変位量情報を増幅して出力する。

前述のように、本実施形態においては、ＡＣサーボモータ３５が可動部３１を駆動することによって振動試験が行われる。ここで、ＡＣサーボモータ３５は、駆動軸２４（図１）の回転数を検出するためのエンコーダを内蔵しており、エンコーダが検出した回転数は駆動制御ユニット２２０の現在位置演算回路２２６に送信される。

現在位置演算回路２２６は、ＡＣサーボモータ３５のエンコーダの検出結果に基づいて、可動部３１の現在位置を演算して出力する。そして、アンプ２２４の出力と現在位置演算回路２２６の出力との差分（すなわち、可動部３１の目標位置と現在位置との差に相当する信号）が電流生成回路２２８に送信される。

電流生成回路２５２は、受信した信号に基づいて三相電流を生成し、これをＡＣサーボモータ３５に出力する。この結果、可動部３１が目標位置に到達するようにＡＣサーボモータ３５が駆動される。

以上のような構成の直動アクチュエータ１ａを使用することによって、極めて高精度な振動試験を行うことができる。前述のように、本発明の実施形態に係る直動アクチュエータ１ａにおいては、従来のＡＣサーボモータと比べて可動部のイナーシャが低く、高出力で最大５００Ｈｚの繰り返しレートの高速反復駆動が可能なＡＣサーボモータ３５が使用されている。また、本実施形態の直動アクチュエータ１ａにおいては、セミリジッドカップリング３００によってＡＣサーボモータ３５の軸出力をロス無くリニアにボールねじ機構に伝達するとともにモータが発生する直動アクチュエータ１ａの駆動軸方向の振動を遮断し、更に、セミリジッドカップリング３００及びボールねじ３６によって軸回転を高効率に直線運動に変換する構成となっている。これらの構成によって、高出力かつ高い繰り返しレートの直線往復駆動が可能となるのみならず、振動試験等において必要となる制御信号に対する極めて低ノイズで忠実度の高い応答が可能になり、ＡＣモータを使用した大重量物用の振動試験等をより高精度に行うことが可能になった。

また、本実施形態の構成によれば、図２に示されるように、可動部３１を移動させるための動力源であるＡＣサーボモータ３５と、ＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａの回転運動を上下運動に変換するためのボールねじ機構、及び駆動軸３５ａを回転可能に支持する軸受部６０とが、同一のプレートである支持プレート３３に固定されている。この構成は、ＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５やボールねじ３６、軸受部６０、可動部３１をガイドするためのリニアガイド４０等の相対位置を高精度に位置決めして取り付けることを可能とし、従って、互いに連結するＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａとボールねじ３６の軸部３６ｂとの芯出しを容易且つ極めて正確に行うことができる。これによって高い繰り返しレートでの高出力な反転駆動を実現するために必要な、ＡＣサーボモータ３５の駆動軸３５ａ、ボールねじ３６、軸受部６０及びリニアガイド４０の相互の精密な位置決めを容易にし、かつ精密な配置状態を安定に維持することが可能となる。このような高精度の位置決めの実現によって、内部ひずみが大幅に軽減されるために直動アクチュエータの駆動に必要なトルクが小さくなり、高出力かつ高い繰り返しレートでの直線往復駆動が可能となるとともに、直動アクチュエータを使用した各種試験の測定精度に影響を与える振動ノイズを低下させることにも寄与する。

本発明の実施形態の直動アクチュエータが搭載された加振装置によって構成された自動車振動試験システムを示す図である。 加振装置に搭載された本発明の実施形態の直動アクチュエータの縦断面図である。 本発明の実施形態の直動アクチュエータにおけるセミリジッドカップリングの縦断面図である。 本発明の実施形態の直動アクチュエータにおける軸受部の縦断面図である。 本発明の実施の形態による万能試験装置において、ランナーブロック及びレールをレールの長軸方向に垂直な一面で切断した断面図である。 図５のＩ−Ｉ断面図である。 本発明の実施形態の直動アクチュエータにおける制御計測部のブロック図である。

符号の説明

Ｂ ベース
Ｃ 自動車（被検車両）
Ｗ 車輪
１ 加振装置
１ａ 直動アクチュエータ
２ 車輪把持手段
１０ フレーム
３１ 可動部
３３ 支持プレート
３５ ＡＣサーボモータ
３５ａ 駆動軸
３６ ボールねじ
３７ モータ支持フレーム
４２ ガイドフレーム
６０ 軸受部
６１ 組合せアンギュラ玉軸受
６２ 第１軸受取付部材
６３ 第２軸受取付部材
６４ 第１カラー
６５ 第２カラー
６６ ナット
２００ 制御計測部
２１０ 設定値指示ユニット
２２０ 駆動制御ユニット
２５０ 測定ユニット
３００ セミリジッドカップリング
３２０ 外輪
３４０ 外輪
３６０ 内輪
３８２ ボルト
１０００ 自動車振動試験システム

Claims (13)

1. 駆動軸を往復回転運動させる電動モータと、
   ボールねじと、
   前記ボールねじと前記電動モータの駆動軸とを同軸に連結するセミリジッドカップリングと、
   前記ボールねじと係合するナットと、
   前記ナットの移動方向を前記ボールねじの軸方向のみに制限するリニアガイドと、
   一面に前記電動モータが固定され、他面に前記リニアガイドが固定された支持プレートと
   を備えた直動アクチュエータであって、
   前記支持プレートには前記ボールねじが垂直に挿通する開口が設けられ、該開口には前記ボールねじを回転可能に支持する軸受が固定されており、
   前記セミリジッドカップリングは、
   中心にテーパ穴が貫通形成された剛体要素である一対の外輪と、
   前記一対の外輪の間に配置され、中心に連結する軸を通すための円柱状の貫通穴が形成され、外周の軸方向両端に前記一対の外輪のテーパ穴の内周と夫々係合可能なテーパ面が形成された、弾性要素または粘弾性要素である内輪と
   を備え、
   前記内輪の貫通穴に前記ボールねじ及び前記電動モータの駆動軸が差し込まれ、前記内輪のテーパ面に前記一対の外輪のテーパ穴の内周が当接し、前記一対の外輪同士がボルトで互いに固定されることにより、前記内輪を介して前記電動モータの駆動軸の先端と前記ボールねじの軸部の先端とを間隔を離して連結する
   ことを特徴とする直動アクチュエータ。
2. 前記セミリジッドカップリングは、前記ボールねじと前記電動モータの駆動軸との連結に前記ボールねじ及び前記電動モータの駆動軸と同等以上のねじり剛性を与えると共に曲げ方向にたわみ性を与え、且つ、前記電動モータの駆動軸の延長方向の振動の伝達を阻害するように構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の直動アクチュエータ。
3. 前記セミリジッドカップリングの内輪は粘弾性要素である、ことを特徴とする請求項２に記載の直動アクチュエータ。
4. 前記粘弾性要素の少なくとも一部は樹脂にて形成されている、ことを特徴とする請求項３に記載の直動アクチュエータ。
5. 前記セミリジッドカップリングは、所望の周波数における前記振動の減衰率が最大になるように構成されている、ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載の直動アクチュエータ。
6. 前記所望の周波数は前記モータの駆動周波数である、ことを特徴とする請求項５に記載の直動アクチュエータ。
7. 前記所望の周波数は前記モータの駆動軸の固有振動数である、ことを特徴とする請求項５に記載の直動アクチュエータ。
8. 前記電動モータは５００Ｈｚの繰り返しレートで反転駆動可能な低慣性のサーボモータである、ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の直動アクチュエータ。
9. ５００Ｈｚの繰り返しレートの直線往復運動を発生可能であることを特徴とする請求項８に記載の直動アクチュエータ。
10. 前記軸受はアンギュラ玉軸受である、ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の直動アクチュエータ。
11. 前記アンギュラ玉軸受は、アキシアル荷重の耐荷重方向が互いに反対方向となるように配置された１対の単列アンギュラ玉軸受からなる組合せアンギュラ玉軸受である、ことを特徴とする請求項１０に記載の直動アクチュエータ。
12. 前記組合せアンギュラ玉軸受は正面組合せ形の組合せアンギュラ玉軸受である、ことを特徴とする請求項１１に記載の直動アクチュエータ。
13. 前記支持プレートは、１枚の金属板、若しくは溶接によって一体化された複数の金属板から構成されている、ことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載の直動アクチュエータ。

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