JP5295516B2

JP5295516B2 - リニアアクチュエータ

Info

Publication number: JP5295516B2
Application number: JP2007095112A
Authority: JP
Inventors: 利之浅生; 修平山中; 英樹藤井
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008253117A

Description

本発明は、リニアアクチュエータに係り、特に、永久磁石等の磁極の磁界と、コイルに印加される電気信号とに応じて、フォーサに対するマグネットロッドの相対的な進退運動が自在とされる形式のリニアアクチュエータに関するものである。

従来から、マグネットロッドがフォーサに対して軸線方向で移動することのできる一軸のアクチュエータが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。この種のアクチュエータは、例えば、チップ状の電子部品を所定の位置にマウントするチップマウンタのヘッド軸として用いることが可能であり、１個のリニアモータの一軸のみを利用する場合もあれば、作業効率向上のために複数のリニアモータが並列に組み合わされた多軸のアクチュエータとして利用される場合もある。

上記した従来のリニアアクチュエータは、例えば、図２０で示すような構成を有している。ここで、図２０は、従来技術に係るリニアアクチュエータの構成を説明するための部分縦断面斜視図である。図２０に示す従来のリニアアクチュエータ１５０は、フォーサ１５０ａを各種機械装置に固定し、このフォーサ１５０ａを貫通するマグネットロッド１５０ｂを進退させて使用する場合を想定している。

前記マグネットロッド１５０ｂは、ステンレス製パイプ１５１と、このパイプ１５１の中空部内に配列された多数の永久磁石１５２と、かかるパイプ１５１の両端を塞ぐ一対のエンドプラグ１５３とから構成されており、前記パイプ１５１内で互いに隣接する永久磁石１５２は、Ｎ極同士又はＳ極同士を対向させている。これにより、マグネットロッド１５０ｂには、その長手方向に沿ってＮ極の磁極とＳ極の磁極が交互に並んだ駆動用の着磁部が形成され、これが界磁マグネットとなっている。

一方、前記フォーサ１５０ａは、マグネットロッド１５０ｂの軸方向に垂直な断面が長方形をなす四角柱状に形成されており、その中心にはマグネットロッド１５０ｂが貫通する貫通孔が形成されている。このフォーサ１５０ａは、コイル部材１５４を収納したフォーサハウジング１５５と、このフォーサハウジング１５５の長手方向の前後両端部に固定された軸受支持部材としての一対のフォーサエンド１５６と、このフォーサエンド１５６に嵌合するとともにマグネットロッド１５０ｂの進退を支承する一対の軸受ブッシュ１５７とから構成されている。また、コイル部材１５４は、フォーサハウジング１５５に形成された貫通孔の内周面に配列されている。

以上のような従来のリニアアクチュエータ１５０において、フォーサハウジング１５５は、絶縁性を具備した非金属無機材料によって構成されている。そして、フォーサハウジング１５５の製作は、水硬性組成物をモールドに流し込み、所定形状に成形して未硬化成形体を得た後、これを脱型してから水分を供給して水和反応を開始させ、養生を行うことでフォーサハウジング１５５を製作している。

国際公開第２００６／０３５９４６号パンフレット

ところで、上記リニアアクチュエータ１５０を実際に利用しようとする場合には、コイル部材１５４に対するマグネットロッド１５０ｂの回転を防止し、コイル部材１５４に対するマグネットロッド１５０ｂの直線的な進退運動を適切に案内することのできる案内機構を付加することが不可欠となる。そして、直線的な進退運動を案内する機構として従来から知られているものには、例えば、スプライン機構等が存在している。

しかしながら、上述したリニアアクチュエータ１５０に対して単に従来のスプライン機構を組み合わせただけでは、実用的なリニアアクチュエータを得ることはできない。すなわち、単にフォーサ１５０ａに対してスプライン外筒を接続し、マグネットロッド１５０ｂに対してスプライン軸を接続しただけでは、リニアモータとリニアアクチュエータという異なる機構を適切に融合しなければならない関係から、種々の問題が発生することになる。

例えば、リニアモータとしての機能を極力コンパクト化したいという要請がある場合、コイル部材１５４と磁極である永久磁石１５２等はある程度小さくすることはできるが、このリニアモータに対応させてスプライン機構側を単純に小型化することには生産技術上の困難性があり、たとえ従来のスプライン機構の構成のままで小型化が実現できたとしても、今度は十分な剛性を確保できないという課題が発生することになってしまう。

また、従来のスプライン機構の構成のままでリニアモータとの融合を図ろうとする場合には、組み付け性の向上や、リニアモータとリニアアクチュエータとの大きさのアンバランスの解消、部品の共有化による製造コストの削減などといった、解決しなければならない種々の問題が存在している。

さらに、図２０に示した従来のリニアアクチュエータ１５０の場合は、複数を並列的に組み合わせて多軸のアクチュエータとして用いることが求められる関係から、付加される案内機構がフォーサハウジング１５５やフォーサエンド１５６等の縦断面からはみ出すような大きさであってはならないという要求も存在する。

本発明は、上述した種々の課題の存在に鑑みて成されたものであって、その目的は、コンパクトで組み付け性が良く、しかも製造コストや機能の面からもアクチュエータとしての実用に耐え得る新たなリニアアクチュエータを提供することにある。

本発明に係るリニアアクチュエータは、マグネットロッドと、前記マグネットロッドに遊嵌されるコイルを内包するように射出成形されるフォーサハウジングと、前記射出成形の際に前記フォーサハウジングと一体とされるフォーサエンドと、を備えるリニアアクチュエータであって、前記マグネットロッドには、外周面に対して軸線方向に延びるスプライン溝が形成されたスプライン軸が連設され、前記フォーサエンドの前記スプライン軸と対向する面には、前記スプライン溝と対向形成されることによって転動体の負荷通路を形成する負荷転動体転走溝が形成されているリニアアクチュエータを複数近接配置することによって、多軸のアクチュエータとして構成されるリニアアクチュエータであって、前記フォーサエンドを単一の部材で構成し、該フォーサエンドが近接配置された個々のリニアアクチュエータそれぞれに対応した負荷転動体転走溝を備え、前記フォーサエンドの前記スプライン軸と対向する面には、前記スプライン溝と対向形成されることによって前記転動体の負荷通路を形成する負荷転動体転走溝としての負荷直線溝と、前記負荷直線溝と平行に設けられるとともに前記スプライン軸の外周面に向けて開放された無負荷直線溝と、が形成され、前記転動体は、前記スプライン軸の外周面と接触しながら前記無負荷直線溝の内部を転走することを特徴とする。

また、本発明に係るリニアアクチュエータにおいて、前記フォーサエンドには、前記負荷直線溝及び前記無負荷直線溝とを連通連結し、これらの間で前記転動体を往来させる一対の転動体偏向溝が形成され、前記転動体偏向溝は、前記スプライン軸の外周面に開放されていることができる。

さらに、本発明に係るリニアアクチュエータにおいて、前記転動体偏向溝は、前記スプライン溝を転走する転動体の進行方向を強制的に変化させ、前記スプライン軸のプロファイルを利用して転動体を前記スプライン溝から離脱させる一方、離脱した転動体を前記スプライン軸の外周面と協働して前記無負荷直線溝に誘導することができる。

また、本発明に係るリニアアクチュエータにおいて、前記フォーサエンドはエンドキャップを挿入可能な凹部を有し、前記フォーサエンドと前記エンドキャップとが協働して、前記負荷直線溝、前記無負荷直線溝及び前記一対の転動体偏向溝を形成するように構成することができる。

さらに、本発明に係るリニアアクチュエータにおいて、前記エンドキャップは、前記凹部に挿入されたときに前記エンドキャップの端面と前記フォーサエンドの端面とが面一となるように構成することができる。

また、本発明に係るリニアアクチュエータにおいて、前記フォーサエンドには前記負荷直線溝及び前記無負荷直線溝が形成され、前記エンドキャップには前記転動体偏向溝が形成されていることとすることができる。

さらに、本発明に係るリニアアクチュエータにおいて、前記フォーサエンドは、軸方向に垂直な方向の断面が矩形状に形成されていることが好適である。

本発明によれば、コンパクトで組み付け性が良く、しかも製造コストや機能の面からもアクチュエータとしての実用に耐え得る新たなリニアアクチュエータを提供することができる。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係るリニアアクチュエータ５の外観斜視図である。本実施形態に係るリニアアクチュエータ５は、マグネットロッド１０の軸方向における両端側が作用部となっており、マグネットロッド１０の両端側で外部に対する仕事ができるように構成されている。リニアアクチュエータ５の中央部には、マグネットロッド１０が遊嵌する貫通孔２１を有するフォーサ２０が設置されており、フォーサ２０に対するマグネットロッド１０の軸方向での直線的な進退運動が可能となっている。

図２において示されるように、マグネットロッド１０は、中央部に配置される磁極部１１と、この磁極部１１の両端側にそれぞれ連設される２つのスプライン軸部１５とを備えることによって構成されている。マグネットロッド１０の中央部に位置する磁極部１１は、磁極となる複数の永久磁石１３がその内部に配列された部材であり、磁束源としての機能を発揮するために、複数の永久磁石１３がマグネットロッド１０の軸方向に所定のピッチで配列されている。

また、磁極部１１は、図３に示すように、中空円筒形状のパイプ体１２の中空空間に対して円柱形状をした複数の永久磁石１３を積層挿入することによって形成されている。複数の永久磁石１３は、隣り合う対向面の磁性が互いに同極となるように積層され、さらに、隣り合う永久磁石１３の間には、ヨークとして例えば鉄等の磁性体からなるボールシュー１４が介装されている。なお、磁極部１１の両端部には、パイプ体１２からの永久磁石１３の脱落を防止するために、例えば接着剤等で固定される図示しない保持板が設置される。

一方、スプライン軸部１５は、その外周面に軸線方向に延びるスプライン溝１６が形成されており、このスプライン溝１６の形成方向に沿ってマグネットロッド１０を案内し、スプライン軸としての機能を発揮できるようになっている。つまり、本実施形態に係るマグネットロッド１０は、リニアモータ機構の可動子として機能する磁極部１１の両端に、スプライン機構の移動部材であるスプライン軸が連設された構成を有している。

次に、本実施形態に係るフォーサ２０を説明する。ここで、図４は、本実施形態に係るフォーサ２０の外観斜視図である。図４において示すように、本実施形態に係るフォーサ２０は、貫通孔２１の形成されたフォーサハウジング２２と、フォーサハウジング２２に形成された貫通孔２１の内周面に配列されるコイル部材２３と、フォーサハウジング２２の軸方向の両端部にそれぞれ設置される一対のフォーサエンド２５とから構成されている。なお、本実施形態に係るフォーサハウジング２２とフォーサエンド２５は、軸方向に垂直な方向の断面が概略長方形状に形成されており、複数のフォーサ２０を並列方向で接続することが容易となっている。

コイル部材２３は、図５で示すように、銅線を螺旋状に巻いた一つのコイル２３ａを複数個、例えば数十個積層したものである。コイル２３ａのリード線２３ｂは、三つおきで配置されるＵ相同士のコイル、Ｖ相同士のコイル、Ｗ相同士のコイルで接続される。コイル２３ａ同士は絶縁させておく必要があるので、コイル２３ａの間には絶縁材として機能する樹脂製のスペーサ２４が介装されている。スペーサ２４は、コイル２３ａの正面形状に対応させて円環形状で形成されている。

フォーサエンド２５は、フォーサエンド２５がフォーサハウジング２２に設置されたときに貫通孔２１がフォーサ２０の軸方向を貫通するように構成されている。すなわち、フォーサエンド２５もフォーサハウジング２２が有する貫通孔２１と略同一形状の貫通孔２１を有しており、かかる構成によって、マグネットロッド１０は、フォーサ２０に形成される貫通孔２１を導通し、遊嵌することが可能となる。

また、フォーサエンド２５は、フォーサハウジング２２内に設置されるコイル部材２３の固定状態を保持する機能をも担っている。すなわち、フォーサエンド２５は、フォーサハウジング２２の軸方向端部に設置された状態で射出成形によりフォーサハウジング２２と一体とされるので、フォーサハウジング２２内に設置されたコイル部材２３の軸方向両端部を保持する機能を発揮する。かかるフォーサエンド２５の作用によって、コイル部材２３の確実な固定状態が保持される。

なお、マグネットロッド１０の磁極部１１に設置される複数の永久磁石１３は、フォーサハウジング２２に設置されるコイル部材２３との対向位置に配置されるので、複数の永久磁石１３とコイル部材２３との作用によってリニアモータ機構が構成されることになる。一方、マグネットロッド１０のスプライン軸部１５に形成されるスプライン溝１６は、フォーサハウジング２２を構成するフォーサエンド２５との対向位置に配置される。そして、詳細構成は後述するが、フォーサエンド２５はスプライン外筒としての機能を発揮することができるので、スプライン溝１６とフォーサエンド２５との作用によってスプライン機構が構成されることになる。

続いて、磁極部１１とフォーサハウジング２２とで構成されるリニアモータ機構の作動原理について、図６を用いて説明する。リニアモータ機構は、回転系のモータと同様に、永久磁石の磁界とコイル部材に流れる電流とによって運動するための力を得る。その一方、リニアモータは、直線運動を行うものなので、コイル部材２３が直線的に積層され、この積層されたコイル部材２３によって形成される中空空間を、複数の永久磁石１３を備えた磁極部１１が貫通して配置されている。

そして、上述したように、磁極部１１には、円柱形状をした複数の永久磁石１３が互いに同極同士で対向するように、すなわちＮ極とＮ極が、Ｓ極とＳ極が対向するように積層されている。また、磁極部１１の周囲には、磁極部１１の周りを取り囲むようにコイル部材２３が配置されている。コイル部材２３は、３つでＵ・Ｖ・Ｗ相からなる一組の三相コイルを構成し、一組のコイル部材２３を複数組み合わせることによって、コイルユニットが構成されている。

このようにＵ・Ｖ・Ｗ相の三相に分けた複数のコイル部材２３に対して、１２０°ずつ位相が異なる三相電流を流すと、コイル部材２３の軸線方向に移動する移動磁界が発生するので、磁極部１１は移動磁界により推力を得て、移動磁界の速さに同期したマグネットロッド１０の直線運動が実現する。以上により、コイル部材２３に印加される電気信号に応じたフォーサ２０に対するマグネットロッド１０の相対的な進退運動が実現される。

次に、スプライン溝１６とフォーサエンド２５との作用によって構成されるスプライン機構について、図７乃至図１０を用いて説明を行う。ここで、図７は、本実施形態に係るフォーサエンド２５とスプライン溝１６が形成されたマグネットロッド１０のスプライン軸部１５とが対向する箇所、すなわち、本実施形態に係るスプライン機構の縦断面側面を示す図である。また、図８は、フォーサエンド２５に形成されたトラック溝３０を平面上に展開した様子を示す図である。また、図９は、フォーサエンド２５の軸方向に垂直な方向の縦断面を示す図である。さらに、図１０は、フォーサエンド２５の端部近傍を軸方向に垂直な方向で切った場合の縦断面の様子を示す図である。

本実施形態に係るスプライン機構は、断面略円柱形状に形成されたマグネットロッド１０のスプライン軸部１５と、断面略長方形状に形成されるとともに多数の転動体であるボール４０を介して前記マグネットロッド１０のスプライン軸部１５に組み付けられるフォーサエンド２５とから構成されており、スプライン軸部１５がフォーサエンド２５の軸方向で直線的な進退運動をするように構成されている。

スプライン軸部１５の外周面には軸方向に沿って４条のスプライン溝１６が形成されており、ボール４０はこれらスプライン溝１６を転走しながらスプライン軸部１５とフォーサエンド２５との間で荷重を負荷する。各スプライン軸１６の長手方向と垂直な断面における形状はサーキュラアーク形状、すなわちボール球面の曲率よりも僅かに大きな曲率の単一円弧からなる形状で形成されている。これらのスプライン溝１６は、フォーサエンド２５がスプライン軸部１５の周囲を図７で見て時計回りで回転する場合に荷重を負荷するスプライン溝１６ａと、フォーサエンド２５がスプライン軸部１５の周囲を図７で見て反時計回りで回転する場合に荷重を負荷するスプライン溝１６ｂとから構成されており、互いに隣接するスプライン溝１６ａとスプライン溝１６ｂとがグループとなって、マグネットロッド１０の外周面に複数のグループが等間隔で形成されている。これにより、フォーサエンド２５とスプライン軸部１５との間で回転トルクの伝達が可能となっている。なお、図７で示した本実施形態のスプライン機構では、２グループ４条のスプライン溝１６がスプライン軸部１５の外周面に形成されているが、３グループ６条あるいは４グループ８条等といったあらゆるグループ数のスプライン溝を形成することができる。

一方、フォーサエンド２５は、単一部材として構成される部材であり、その軸方向に対して垂直な方向の縦断面形状は、外周面がフォーサハウジング２２と略同一な断面長方形状で構成されており、内周面はフォーサハウジング２２が有する貫通孔２１と略同一形状の貫通孔２１を有して形成されている。

そして、単一部材として形成されるフォーサエンド２５の内周面には、ボールエンドミルを用いた切削加工や金属射出成形といった手法を用いることによって、ボール４０を無限循環させるためのトラック溝３０が形成されている。このトラック溝３０は、スプライン軸部１５のスプライン溝１６と対向してフォーサエンド２５の内周面に形成された負荷転動体転走溝として機能する負荷直線溝３１と、フォーサエンド２５の内周面に対して前記負荷直線溝３１と僅かに間隔をおいて平行に形成された無負荷直線溝３２と、これら負荷直線溝３１と無負荷直線溝３２との間でボール４０の転走方向を１８０度転換させるとともにこれらの溝の間でボール４０を往来させるボール偏向溝３３とから構成されている。このトラック溝３０は、その全域においてスプライン軸部１５に向けて開放されており、トラック溝３０に配列されたボール４０は、スプライン軸部１５と面した状態でこのトラック溝３０内を循環する。

ここで、図８を参照すると、トラック溝３０の一部を構成する負荷直線溝３１は、その長手方向に垂直な方向の断面がスプライン軸部１５に形成されたスプライン溝１６と同様にサーキュラアーク状に形成されている。スプライン軸部１５には、４条のスプライン溝１６が形成されているので、ボール４０とスプライン軸部１５の各スプライン溝１６又はフォーサエンド２５の各負荷直線溝３１が接触する方向は、スプライン軸部１５の周方向に関して９０度ずつ異なっている。これにより、フォーサエンド２５はスプライン軸部１５の軸方向以外に作用するあらゆる荷重を負荷しながら当該スプライン軸部１５に沿って進退運動することが可能となっている。

一方、トラック溝３０の一部を構成する無負荷直線溝３２は、ボール４０の直径よりも僅かに大きな通路として形成されており、スプライン軸部１５の外周面に向けて開放した状態でフォーサエンド２５の内周面に形成されている。したがって、ボール４０は無負荷状態、すなわち自由に回転し得る状態のまま無負荷直線溝３２内に収容されている。また、無負荷直線溝３２がスプライン軸部１５に向けて開放されていることから、ボール４０はスプライン軸部１５と接触しながら無負荷直線溝３２の内部を転走するようになっている。

ボール偏向溝３３は、負荷直線溝３１と無負荷直線溝３２とを連結する略Ｕ字状の軌道を有しており、荷重を負荷しながら負荷直線溝３１を転走してきたボール４０を荷重から開放するとともに、かかるボール４０の転走方向を徐々に変化させ、１８０度方向転換させて無負荷直線溝３２に送り込むように構成されている。このボール偏向溝３３は、負荷直線溝３１との連結部位において最も浅く、無負荷直線溝３２との連結部位において最も深くなるように形成されている。ボール偏向溝３３が徐々に深くなることにより、負荷直線溝３１を転走してきたボール４０がボール偏向溝３３に進入すると、ボール４０は荷重から解放され、無負荷状態となってボール偏向溝３３内を無負荷直線溝３２へ向けて進行し、そのままの状態で無負荷直線溝３２に進入するようになっている。

フォーサ２０に対してマグネットロッド１０を進退移動させると、スプライン軸部１５のスプライン溝１６とフォーサエンド２５の負荷直線溝３１との間に挟まれているボール４０は、フォーサ２０に対するマグネットロッド１０の移動速度Ｖの半分の速度０．５Ｖで負荷直線溝３１内を移動する。負荷直線溝３１内を転走するボール４０は、ボール偏向溝３３に到達すると、前述の如くボール偏向溝３３の深さが徐々に深くなることから、次第に荷重から解放される。荷重から解放されたボール４０は、後続のボール４０に押されるようにしてそのままスプライン軸部１５のスプライン溝１６内を進行するが、ボール偏向溝３３はスプライン溝１６におけるボール４０の転走を遮り、ボール４０の進行方向を強制的に変化させるので、ボール４０はボール偏向溝３３によってスプライン溝１６の片側へ寄せられ、スプライン軸部１５のプロファイル（外形）に沿うようにして当該スプライン軸部１５の外周面にまで這い上がる。これにより、ボール４０は、スプライン軸部１５のスプライン溝１６から完全に離脱し、フォーサエンド２５のボール偏向溝３３に完全に収容される。

平面上に展開したボール偏向溝３３は、略Ｕ字状の軌道を有していることから、かかるボール偏向溝３３内に収容されたボール４０はその転走方向を逆転させ、スプライン軸部１５の外周面と対向するフォーサエンド２５の無負荷直線溝３２内に進入する。また、無負荷直線溝３２内を進行したボール４０は、反対側のボール偏向溝３３に進入し、再び転走方向を逆転させた後、スプライン軸部１５のスプライン溝１６とフォーサエンド２５の負荷直線溝３１との間に進入する。この際、ボール４０はスプライン軸部１５のプロファイル（外形）に沿うようにしてスプライン溝１６に進入し、ボール偏向溝３３が徐々に浅くなるにつれ、無負荷状態から荷重の負荷状態へと移行する。

以上のようにして、ボール４０はフォーサエンド２５のトラック溝３０内を循環し、これに伴ってマグネットロッド１０がフォーサ２０の貫通孔２１内を間断なく連続的に進退移動することが可能となる。

本実施形態に係るリニアアクチュエータ５は、上述した構成を備えているので、コンパクトで組み付け性が良く、しかも製造コストや機能の面からもアクチュエータとしての実用に耐え得るという、従来のリニアアクチュエータでは実現できなかった新たな効果を発揮することができる。特に、本実施形態に係るリニアアクチュエータ５では、フォーサエンド２５という単一の部材が、フォーサハウジング２２内でのコイル部材２３の固定保持機能と、スプライン機構におけるスプライン外筒としての機能とを、同時に発揮することができるので、非常にコンパクトで組み付け性の良いリニアアクチュエータを実現することができている。また、フォーサエンド２５が、コイル部材２３の固定保持機能とスプライン外筒としての機能とを兼備しているので、部品点数が削減され、製造コストの低減が図られている。さらに、本実施形態に係るスプライン機構は、従来のスプライン装置と比べて非常に簡易な構成で実現することができる一方、確実な荷重の負荷と案内運動が可能なので、コンパクト化と高剛性化、リニアモータとリニアアクチュエータの融合といった、従来技術では両立させることができなかった構成を実現することができている。

またさらに、本実施形態に係るフォーサエンド２５は、長方形状で形成される断面の面積がフォーサハウジング２２の断面積と略同じ広さを維持したままで、スプライン外筒としての機能を発揮できる。つまり、本実施形態に係るリニアアクチュエータ５によれば、複数のリニアアクチュエータ５を並列的に連続して組み合わせて用いることができるので、上述した作用効果を発揮することのできる多軸駆動のリニアアクチュエータを実現することが可能である。

次に、図１１乃至図１５を用いて、フォーサハウジング２２及びフォーサエンド２５を有するフォーサ２０の製造過程を説明する。まず、図１１は、基準軸５０を用いたコイル部材２３の組立工程を示す図である。ここで使用する基準軸５０は、マグネットロッド１０の直径よりも僅かに大きな直径を有している。コイル部材２３は、Ｕ，Ｖ及びＷ相の３つのコイルを１組とするコイル群を有しており、基準軸５０の周囲に巻き回すようにして組み立てられている。いずれの相のコイル部材２３もリング状であり、各相のコイル部材２３の配列ピッチは、マグネットロッド１０における永久磁石１３の配列ピッチよりも短く設定されている。

次に、図１２に示すように、基準軸５０の周囲にコイル部材２３が組み立てられた後、かかる基準軸５０の両端からは、一対のフォーサエンド２５が介装される。各フォーサエンド２５には、基準軸５０の直径に合致した内径の開口孔２５ａが形成されており、基準軸５０は隙間なくフォーサエンド２５の開口孔２５ａに嵌合する。すなわち、フォーサエンド２５は、基準軸５０の周囲に組み立てられたコイル部材２３と、該基準軸５０を介して位置決めされている。また、フォーサエンド２５には、後述する射出成形の際に水硬性組成物が充填される空所２５ｂが形成されている。

以上のようにして基準軸５０の周囲にコイル部材２３が組み立てられ、このコイル部材２３をフォーサエンド２５によって挟み込んだ後、これらを基準軸５０と共にインサータとしてモールド内にセットし、かかるモールド内に水硬性組成物を射出し、コイル部材２３の周囲にフォーサハウジング２２となる未硬化成形体を射出形成する。図１３及び図１４に示すように、成形された水硬性組成物は、コイル部材２３を覆うとともにフォーサエンド２５の空所２５ｂにも充填されており、かかる空所２５ｂ内には段差が形成されていることから、未硬化成形体の形成後は、フォーサエンド２５とコイル部材２３が未硬化成形体によって一体化されている。そして、モールドから脱型した未硬化成形体を養生することによって、コイル部材２３及びフォーサエンド２５と一体化し、且つ、硬化したフォーサハウジング２２を得ることができる。

このようにしてフォーサハウジング２２の硬化が完了したならば、基準軸５０をフォーサハウジング２２から抜き出した後、図１５に示すフォーサエンド２５の開口孔２５ａの壁面に対してトラック溝３０を形成することにより、マグネットロッド１０を遊嵌する貫通孔２１が開通し、本実施形態に係るフォーサ２０が完成する。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。

例えば、上述した実施形態では、フォーサエンド２５の内周面に形成されるトラック溝３０と、スプライン軸部１５の外周面に形成されるスプライン溝１６とによって、ボール４０を無限循環させた場合を例示して説明を行った。しかしながら、本発明に係るリニアアクチュエータは、ボール４０が無限循環するものに限られず、有限ストロークのスプライン機構を備えるリニアアクチュエータとして構成することもできる。この場合は、フォーサエンド２５の内周面に形成する負荷転動体転走溝として、スプライン溝１６と対向する前記負荷直線溝３１の部分のみを設ければ良いので、リニアアクチュエータのストローク範囲が短くて良い場合には、製作コストの削減効果を発揮することができる。

また、上述した実施形態では、フォーサエンド２５という単一の部材のみに対してトラック溝３０を形成した場合を例示して説明を行った。しかしながら、本発明のトラック溝は、組み付け性の向上や加工の容易性等を考慮して、複数の部材で構成するようにしても良い。

この場合の実施例を、図１６及び図１７を用いて説明すると、図１６及び図１７で例示するフォーサエンド２５は、軸方向の外側にエンドキャップ５５を挿入するための凹部２５ｃを備えて構成されている。このエンドキャップ５５は、内周面でマグネットロッド１０と摺接し、マグネットロッド１０の進退運動を案内することのできる部材である。そして、エンドキャップ５５は、フォーサハウジング２２と一体に射出成形された凹部２５ｃ付のフォーサエンド２５に対して、ボルト５５ａを用いて螺合される。このとき、フォーサエンド２５は正確な位置決め状態でフォーサハウジング２２と一体となっており、また、エンドキャップ５５の形状やボルト５５ａをねじ込むためのボルト孔（不図示）も正確に位置決めされているので、マグネットロッド１０の確実な遊嵌が実現する。つまり、エンドキャップ５５は、フォーサエンド２５の端部に正確に設置されることによってマグネットロッド１０を支承する機能を発揮し、マグネットロッド１０の軸中心がコイル部材２３の中心に対して正確に位置決めされるように作用する。かかる構成によって、マグネットロッド１０の外周面とコイル部材２３の内周面との間の隙間は均一に保たれるので、本発明に係るリニアアクチュエータは、リニアモータとしての機能を安定的且つ効率的に発揮することができる。

また、エンドキャップ５５の内周面には、ボール４０を循環させるためのトラック溝３０の一部を形成することができる。例えば、フォーサエンド２５の側に負荷直線溝３１と無負荷直線溝３２とを形成し、エンドキャップ５５の側にボール偏向溝３３を形成することができる。特に、ボール偏向溝３３は、略Ｕ字状の軌道を有しているために加工費用が嵩むため、フォーサエンド２５とは別体の部材であるエンドキャップ５５に予め形成することによって、加工精度の向上や加工費用の削減を図ることができる。もちろん、エンドキャップ５５に形成可能な転動体転走溝はボール偏向溝３３に限られず、その他の負荷直線溝３１や無負荷直線溝３２を形成しても良い。つまり、フォーサエンド２５とエンドキャップ５５とが協働してトラック溝３０を構成することによって、好適なリニアアクチュエータを得ることができる。

さらに、エンドキャップ５５については、図１６に示すように、凹部２５ｃに挿入設置されたときに、エンドキャップ５５の端面とフォーサエンド２５の端面とが面一となるように構成されていることが好適である。エンドキャップ５５をフォーサエンド２５の端面から飛び出さないように構成することによって、コンパクトなリニアアクチュエータを実現することができる。

またさらに、上述した本実施形態では、フォーサ２０の外郭形状を構成するフォーサハウジング２２とフォーサエンド２５とが、軸方向に垂直な方向の断面で概略長方形状に形成されている場合を例示して説明を行った。しかしながら、本発明が取り得る形態は、断面が長方形状のもののみには限られない。例えば、断面が正方形のもの等、複数のフォーサ２０を並列方向で容易に接続することが可能な矩形状の形態であれば、どのような形状を採用しても良い。なお、本発明のフォーサハウジングは、上記実施形態で例示したフォーサハウジング２２のように、その外周面に放熱用のフィン形状を形成することが許容される。

さらにまた、上述した本実施形態では、ボール４０が転走するスプライン溝１６やトラック溝３０にサーキュラアーク形状を採用した場合を例示して説明を行った。しかしながら、本発明のリニアアクチュエータに適用可能な溝形状は、サーキュラアーク形状には限られず、転動体の半径よりも僅かに大きい曲率半径を持つ２つの円弧を組み合わせたゴシックアーチ形状を採用することもできる。

溝形状にゴシックアーチ形状を採用した場合には、図１８に示すように、ボール４０は負荷を受ける際に４点接触となるので、ボール４０はスプライン軸部１５のスプライン溝６６に対して２点で接触し、フォーサエンド２５の負荷直線溝６７に対して２点で接触する。したがって、図１８に示すように、トラック溝７０を２条設け、これら２条のトラック溝７０の循環経路が軸方向で垂直な方向の縦断面で見たときに対象方向で循環するように構成することができる（図１８参照）。このようにトラック溝７０をゴシックアーチ形状で形成すれば、２条の循環路によって転がり荷重を負荷することができるので、フォーサエンド２５の形状を有効に利用したよりコンパクトなリニアアクチュエータを実現することができる。特に、本実施形態のフォーサエンド２５は、縦方向に長い断面長方形状をしているので、２条のトラック溝７０を上下方向で設けることにより、フォーサエンド２５の形状を有効に活用することができる。

またさらに、本発明のリニアアクチュエータは、複数個のリニアアクチュエータを並列に組み合わせ、多軸のアクチュエータとして利用することができる。このとき、個々のリニアアクチュエータに対してそれぞれ別個にフォーサエンド２５を設置しても良いが、図１９で例示するような、複数のリニアアクチュエータに対応した１個のフォーサエンド７５を設置しても良い。図１９で例示されるフォーサエンド７５は、複数のリニアアクチュエータそれぞれに対応した負荷転動体転走溝を備えており、複数のスプライン機構を形成できるようになっている。単一の部材で構成したフォーサエンド７５に対して複数のフォーサハウジング２２を一体構成することによって、組み付け性が向上し、部品の共有化や組立工程の削減による製造コストの削減効果を得ることができる。

また、上述した実施形態では、転動体にボール４０を採用した場合を例示して説明したが、本発明のリニアアクチュエータは、ローラやコロ等といったあらゆる形状の転動体を採用することが可能である。

以上の様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

本実施形態に係るリニアアクチュエータの外観斜視図である。本実施形態に係るマグネットロッドの構成を示す図である。図２で示したマグネットロッドの磁極部の構成を説明するための図である。本実施形態に係るフォーサの外観斜視図である。図４で示したフォーサに設置されるコイル部材を説明するための図である。本実施形態に係るリニアモータ機構の作動原理を説明するための図である。本実施形態に係るスプライン機構の縦断面側面を示す図である。フォーサエンドに形成されたトラック溝を平面上に展開した様子を示す図である。フォーサエンドの軸方向に垂直な方向の縦断面を示す図である。フォーサエンドの端部近傍を軸方向に垂直な方向で切った場合の縦断面の様子を示す図である。基準軸を用いたコイル部材の組立工程を示す図である。本実施形態に係るリニアモータのフォーサエンドの組み立てを示す縦断面側面図である。本実施形態に係るリニアモータのフォーサハウジングの成形後を示す縦断面側面図である。図１３のＡ線矢視図である。本実施形態に係るリニアモータのフォーサの組み立て完了後の状態を示す縦断面側面図である。本発明に係るフォーサエンドが取り得る多様な変形形態を例示する縦断面側面図である。図１７のＢ線矢視図である。本発明に係るリニアアクチュエータの溝形状にゴシックアーチ形状を採用した場合の形態を例示する縦断面図である。本発明に係るフォーサエンドが取り得る多様な変形形態を例示する外観斜視図である。従来技術に係るリニアアクチュエータの構成を説明するための部分縦断面斜視図である。

符号の説明

５リニアアクチュエータ、１０マグネットロッド、１１磁極部、１２パイプ体、１３永久磁石、１４ボールシュー、１５スプライン軸部、１６，１６ａ，１６ｂスプライン溝、２０フォーサ、２１貫通孔、２２フォーサハウジング、２３コイル部材、２３ａコイル、２３ｂリード線、２４スペーサ、２５フォーサエンド、２５ａ開口孔、２５ｂ空所、２５ｃ凹部、３０トラック溝、３１負荷直線溝、３２無負荷直線溝、３３ボール偏向溝、４０ボール、５０基準軸、５５エンドキャップ、５５ａボルト、６６スプライン溝、６７負荷直線溝、７０トラック溝、７５フォーサエンド、１５０（従来の）リニアアクチュエータ、１５０ａフォーサ、１５０ｂマグネットロッド、１５１パイプ、１５２永久磁石、１５３エンドプラグ、１５４コイル部材、１５５フォーサハウジング、１５６フォーサエンド、１５７軸受ブッシュ。

Claims

マグネットロッドと、
前記マグネットロッドに遊嵌されるコイルを内包するように射出成形されるフォーサハウジングと、
前記射出成形の際に前記フォーサハウジングと一体とされるフォーサエンドと、
を備えるリニアアクチュエータであって、
前記マグネットロッドには、外周面に対して軸線方向に延びるスプライン溝が形成されたスプライン軸が連設され、
前記フォーサエンドの前記スプライン軸と対向する面には、前記スプライン溝と対向形成されることによって転動体の負荷通路を形成する負荷転動体転走溝が形成されているリニアアクチュエータを複数近接配置することによって、多軸のアクチュエータとして構成されるリニアアクチュエータであって、
前記フォーサエンドを単一の部材で構成し、該フォーサエンドが近接配置された個々のリニアアクチュエータそれぞれに対応した負荷転動体転走溝を備え、
前記フォーサエンドの前記スプライン軸と対向する面には、
前記スプライン溝と対向形成されることによって前記転動体の負荷通路を形成する負荷転動体転走溝としての負荷直線溝と、
前記負荷直線溝と平行に設けられるとともに前記スプライン軸の外周面に向けて開放された無負荷直線溝と、
が形成され、
前記転動体は、前記スプライン軸の外周面と接触しながら前記無負荷直線溝の内部を転走することを特徴とするリニアアクチュエータ。
請求項１に記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記フォーサエンドには、前記負荷直線溝及び前記無負荷直線溝とを連通連結し、これらの間で前記転動体を往来させる一対の転動体偏向溝が形成され、
前記転動体偏向溝は、前記スプライン軸の外周面に開放されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
請求項１又は２に記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記転動体偏向溝は、前記スプライン溝を転走する転動体の進行方向を強制的に変化させ、前記スプライン軸のプロファイルを利用して転動体を前記スプライン溝から離脱させる一方、離脱した転動体を前記スプライン軸の外周面と協働して前記無負荷直線溝に誘導することを特徴とするリニアアクチュエータ。
請求項１から３のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記フォーサエンドはエンドキャップを挿入可能な凹部を有し、
前記フォーサエンドと前記エンドキャップとが協働して、前記負荷直線溝、前記無負荷直線溝及び前記一対の転動体偏向溝を形成することを特徴とするリニアアクチュエータ。
請求項４に記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記エンドキャップは、前記凹部に挿入されたときに前記エンドキャップの端面と前記フォーサエンドの端面とが面一となるように構成されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記フォーサエンドは、軸方向に垂直な方向の断面が矩形状に形成されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。