JP5334128B2 - リニアアクチュエータユニット - Google Patents

Description

本発明は、駆動手段を内蔵し、入力信号に応じて案内軸とスライド部材が相対的に移動可能なリニアアクチュエータユニットに係り、特に、スライド部材の推進手段としてロッドタイプのリニアモータを利用したリニアアクチュエータユニットに関する。

アクチュエータにおける推進手段として利用されるリニアモータの一種として、所謂ロッドタイプのリニアモータが知られている。このロッドタイプのリニアモータは、複数の磁極が長手方向に沿って配列された棒状のマグネットロッドと、このマグネットロッドが挿通される貫通孔を備えると共にかかる貫通孔の内周面にコイル部材が配列されたフォーサとから構成されており、前記コイル部材に駆動電流を通電すると、前記フォーサに対してマグネットロッドの軸方向に沿った推進力が発生するようになっている。

このロッドタイプのリニアモータを利用したリニアアクチュエータユニットとしては、ＷＯ２００７／０２６６７３Ａ１に開示されるものが知られている。このリニアアクチュエータユニットは、中空部を有して筒状に形成されると共に長手方向に沿って開口部が形成された案内軸と、多数のボールを介して前記案内軸に組付けられて当該案内軸をその軸方向へ案内するスライド部材と、前記案内軸の中空部内に両端支持されるマグネットロッドと、前記案内軸の中空部内に配置されると共に当該マグネットロッドと相まってリニアモータを構成し、前記開口部を介して前記スライド部材と結合されたフォーサと、から構成されている。

前記フォーサのコイル部材に対して駆動電流を通電すると、フォーサはマグネットロッドに沿って案内軸の中空部内を軸方向へ推進される。その結果、案内軸の開口部を介して前記フォーサと結合されたスライド部材が案内軸の外側において軸方向へ推進され、前記駆動電流の通電に応じてスライド部材を案内軸に対して任意の量で移動させることが可能となっている。

このように構成された従来のリニアアクチュエータユニットは、案内軸の中空部内にロッドタイプのリニアモータを格納した結果として、推力発生源としてのリニアモータと直線案内手段としての案内軸及びスライド部材が極めてコンパクトに融合されており、その取り扱いが非常に容易なものとなっている。
ＷＯ２００７／０２６６７３Ａ１

しかし、このような従来のリニアアクチュエータユニットでは、前記案内軸が鋼材等の磁性体から形成されているため、かかる案内軸の中空部内にマグネットロッドを配置した結果として、かかるマグネットロッドと当該中空部を取り囲む案内軸の内壁との間に磁気吸引力が作用しており、しかもマグネットロッドは長手方向の両端を支持された状態で案内軸の中空部内に配置されていることから、前記磁気吸引力がマグネットロッドの周囲に偏在していると、当該マグネットロッドに撓みが生じ易いといった問題点があった。

特に、案内軸にはフォーサをスライド部材と結合するために開口部が形成されており、マグネットロッドと開口部との間には磁気吸引力が作用しないことから、案内軸の中空部内に配設されたマグネットロッドは前記開口部と反対側に撓みを生じ易く、マグネットロッドの全長が長尺化すると、マグネットロッドが案内軸に接触してしまうこともあった。

そして、このような撓みがマグネットロッドに生じると、これを囲むように配置されたフォーサの運動に支障が生じ、マグネットロッドの撓み量が大きい場合にはフォーサとマグネットロッドが接触してしまい、スライド部材が運動不能に陥る他、フォーサとマグネットロッドとの接触が回避された場合であっても、スライド部材の位置決め精度が低下してしまう懸念があった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、ロッドタイプのリニアモータを利用して小型化を図りつつも、マグネットロッドの撓みを可及的に抑え、スライド部材の円滑な運動、高い位置決め精度を得ることが可能なリニアアクチュエータユニットを提供することにある。

すなわち、本発明のリニアアクチュエータユニットは、中空部を有して筒状に形成されると共に軸方向に沿って１条の開口部が形成された磁性体からなる案内軸と、この案内軸に沿って自在に往復運動可能なスライド部材と、前記案内軸の中空部内に両端支持されるマグネットロッドと、前記案内軸の中空部内で前記マグネットロッドの周囲に配置されて当該マグネットロッドと相まってリニアモータを構成すると共に、前記案内軸の開口部を介して前記スライド部材と結合されたフォーサと、前記案内軸の開口部を塞ぐようにして前記スライド部材からその移動方向の前後に張り出した磁性体からなるロッド矯正プレートとから構成されるものである。

このように構成された本発明によれば、マグネットロッドは前記案内軸の中空部内に両端支持されており、その周囲は開口部を除いて案内軸によって囲まれている。このため、マグネットロッドと案内軸との間には磁気吸引力が作用しているが、開口部とマグネットロッドとの間には磁気吸引力が作用しないことから、マグネットロッドは開口部と反対側の方向へ撓みを生じやすい。しかし、マグネットロッドに沿って移動するスライド部材にはその移動方向の前後に磁性体からなるロッド矯正プレートが具備されており、このロッド矯正プレートは前記案内軸の開口部を塞ぐようにしてスライド部材から張り出していることから、かかるロッド矯正プレートとマグネットロッドとの間にも磁気吸引力が作用することになる。

従って、ロッド矯正プレートが張り出した領域においては、マグネットロッドの周囲における磁気吸引力の偏在が緩和され、かかるマグネットロッドの撓みが軽減される。そして、ロッド矯正プレートはスライド部材からその移動方向の前後に向けて張り出しているので、スライド部材が案内軸に沿って移動すると、マグネットロッドの撓みが軽減された領域もスライド部材と一緒に移動することになる。このため、スライド部材の移動方向前後の特定の領域においては、常にマグネットロッドの撓みが軽減されていることになり、それによってスライド部材の円滑な運動を確保すると共に、案内軸に対するスライド部材の位置決め精度を高めることが可能となる。

本発明のリニアアクチュエータユニットを示す全体斜視図である。 図１に示すリニアアクチュエータユニットの側面図である。 図１に示すリニアモータアクチュエータをスライド部材の中心で長手方向と垂直に切り欠いた斜視図である。 リニアモータを構成するフォーサを示す斜視図である。 図４に示すフォーサにプロテクタプレートを装着した状態を示す側面図である。

以下、添付図面に沿って本発明のリニアアクチュエータユニットを詳細に説明する。

図１乃至図３は本発明を適用したリニアアクチュエータユニットの一例を示す図であり、図１は全体斜視図、図２は側面図、図３は後述するスライド部材の中心で長手方向と垂直に切り欠いた斜視図である。このリニアアクチユエータユニットは、中空部１０を有して略円筒状に形成されたステンレス製の案内軸１と、多数のボールを介してこの案内軸１の外側に嵌合したスライド部材２とを備え、前記案内軸１の中空部１０内に収容されたリニアモータ３の発生する推力を用いて、前記スライド部材２を案内軸１の軸方向へ往復運動させることができるように構成されている。

前記案内軸１は磁性体から形成されると共に中空部１０を有して円筒状に形成されており、その外周面には１８０°位相をずらして２条のボール転走溝１１が形成されている。また、この案内軸１には前記ボール転走溝１１と位相を９０°ずらした位置に軸方向に沿った一条の開口部１２が設けられている。この開口部は図１及び図２では案内軸１の下方に位置している。従って、前述した案内軸１の中空部１０は、この開口部１２を通して案内軸１の外部に開放されている。更に、案内軸１の外周面において、前記開口部１２と位相を１８０°ずらした位置には平坦面１３が形成されており、この平坦面１３は後述するリニアスケールの取付け面となっている。

一方、前記スライド部材２は略矩形状に形成されると共に、前記案内軸１よりも僅かに大きな内径の貫通孔を有している。案内軸１はこの貫通孔に挿通され、前記ボール転走溝１１を転走する多数のボールを介してスライド部材２に組付けられている。このスライド部材２は、スライドブロック２０と、各ボール転走溝１１に対応してスライドブロック２０の軸方向の両端面に固定された複数のエンドプレート２１とから構成されている。前記スライドブロック２０にはこのリニアアクチュエータユニットを利用する機器の固定部又は可動部の取付け面２０ａが形成され、この取付け面２０ａにはボルトが螺合するタップ孔２０ｂが形成されている。

また、スライドブロック２０の貫通孔の内周面には前記案内軸１のボール転走溝１１と相対向する負荷転走溝２２が１８０°位相をずらして２条形成されており、前記ボールはこれらボール転走溝１１と負荷転走溝２２との間で荷重を負荷しながら転走する。また、スライドブロック２０には各負荷転走溝２２と平行に２条のボール戻し通路２３が形成されており、これらボール戻し通路２３は各負荷転走溝２２の外側に存在している。一方、各エンドプレート２１にはスライドブロック２０の負荷転走溝２２とこれに対応するボール戻し通路２３との間でボールを往来させる方向転換路が形成されており、２枚のエンドプレート２１をスライドブロック２０の軸方向の両端面に夫々固定すると、前記スライド部材２にボールの無限循環路が具備されるようになっている。すなわち、図３に示すスライド部材２では案内軸１を挟むようにして一対の無限循環路が形成されている。尚、図３では、スライドブロック２０に形成された負荷転走溝２２及びボール戻し通路は描かれているが、これらを転走するボールは描かれていない。

従って、前記スライド部材２を案内軸１に沿って移動させると、ボールがスライドブロック２０と案内軸１との間で荷重を負荷しながら前記無限循環路内を循環し、スライド部材２を案内軸１に沿って連続的に移動させることができるものである。また、ボールが案内軸１のボール転走溝１１とスライド部材２の負荷転走溝２２との間を転走することから、スライド部材２は案内軸１の周方向に対して周り止めがなされており、スライド部材２と案内軸１との間でトルクを伝達することが可能となっている。すなわち、前記スライド部材２と案内軸１はボールスプライン装置を構成しており、前記案内軸１はスプライン軸に、前記スライド部材２はスプラインナットに相当している。

図１〜図３に示す例では案内軸１の外側にスライド部材２を組み付けたが、案内軸１の内壁、すなわち中空部１０に面した案内軸１の内壁にボール転走溝１１を設け、かかる中空部１０内に多数のボールを介してスライド部材２を組み付ける構成とすることもできる。

従って、このリニアアクチュエータユニットは、前記タップ孔２０ｂを利用することによってスライド部材２を他の機器類に固定し、かかるスライド部材２に支承された案内軸１を軸方向へ進退させるようにして使用される。尚、実際の試作では、前記ボールとして直径０．４ｍｍの鋼球を使用することにより、スライド部材に対する案内軸の滑らかな直線往復運動を得ることができた。

一方、前記案内軸１の中空部１０内にはリニアモータ３の固定子としてのマグネットロッド３０が収容されている。かかるマグネットロッド３０は軸方向に沿って永久磁石のＮ極及びＳ極を交互に配列したものであり、スチールパイプの内部に多数の永久磁石を詰め込んで製作しても良いし、成形された丸棒に対して後から着磁して磁極を形成するようにしても良い。図３に示マグネットロッド３０は前者の例で製作されている。

前記案内軸１の軸方向両端の開口部には一対のエンドキャップ５が嵌合しており、案内軸１の中空部１０を閉塞している。これらエンドキャップ５の内側には前記マグネットロッド３０の端部を嵌合させる保持部が夫々形成されており、一対のエンドキャップ５を案内軸１に固定することにより、前記マグネットロッド３０が案内軸１の中空部１０内で両端支持梁の如く保持され、案内軸１の軸方向、すなわちスライド部材２の移動方向と平行に位置決めされるようになっている。尚、図中における符号５１は前記エンドキャップ５を案内軸１に固定するための止めねじの取付け孔である。

また、前記マグネットロッド３０の周囲にはリニアモータ３を構成するフォーサ３１が配置されている。図４はこのフォーサ３１の詳細を示すものである。このフォーサ３１は、マグネットロッド３０と僅かな間隙を保ってその周囲にリング状に巻き回された複数のコイル部材３２と、これらコイル部材３２を一体的に保持する絶縁体としての樹脂ホルダ３３と、この樹脂ホルダ３３に接着されたステンレス製のロッド矯正プレート３４とから構成され、前記ロッド強制プレート４は磁性体から形成されている。尚、図４中の符号３５は各コイル部材３２に駆動電流を通電するためのケーブルであり、フレキシブルプリント基盤（ＦＰＣ）から形成されている。

各コイル部材３２には三相交流電流が印加されるように構成されており、前記樹脂ホルダ３３には三相交流電流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応したコイル部材３２が順番に配列されている。図４に示す例では１８個のコイル部材３２が樹脂ホルダ３３に配列されており、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応した３個１組のコイル部材３２が６組配列されていることになる。また、各コイル部材３２の配列ピッチはマグネットロッド３０における永久磁石の配列ピッチよりも短く設定されている。マグネットロッド３０にはＳ極の磁極からＮ極の磁極に向かって磁束が形成されており、フォーサ３１にはその磁束密度を検出する磁極センサ（図示せず）が内蔵されている。従って、この磁極センサの出力する検出信号からコイル部材３２に対するマグネットロッド３０の各磁極（Ｎ極及びＳ極）の位置関係が把握される。コイル部材３２に対する駆動電流の通電を制御しているドライバユニットは前記磁極センサの検出信号を受信し、コイル部材３２とマグネットロッド３０の各磁極との位置関係に応じた最適駆動電流の位相を演算し、それを各コイル部材３２に通電する。その結果、各コイル部材３２に流れる駆動電流と永久磁石によって形成される磁束との相互作用によって、コイル部材３２と永久磁石の各磁極との間に吸引力及び反発力が発生し、フォーサ３１がマグネットロッド３０の軸方向へ推進されることになる。

前記案内軸１の開口部１２と反対側に設けられた平坦面１３には、案内軸１の長手方向に沿って２本のリニアスケール１４，１５が貼り付けられている。また、スライド部材２には前記リニアスケール１４，１５と対向する読み取りヘッド１６が搭載されており、案内軸１に対してスライド部材２が移動すると、その移動量に応じた信号を出力するように構成されている。読み取りヘッド１６の出力信号はケーブル１７によって前記ドライバユニットに伝達される。このケーブル１７はフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）から形成されている。また、一対のリニアスケール１４，１５のうち、一方のリニアスケール１４は案内軸１上におけるスライド部材２の位置検出用であり、他方のリニアスケール１５は案内軸１上におけるスライド部材２のホームポジションを明示する原点復帰用である。

図３の断面図に示されているように、前記フォーサ３１のコイル部材３２は案内軸１の中空部においてマグネットロッド３０を取り囲んでいるが、かかるコイル部材３２を保持する樹脂ホルダ３３は案内軸１の開口部１２を介して該案内軸１の外部に突出しており、樹脂ホルダ３３に接着されたロッド矯正プレート３４が固定ねじによってスライド部材２と結合されている。そのため、ロッド矯正プレート３４には前記固定ねじが螺合するタップ孔３６が形成されている。これにより、フォーサ３１がマグネットロッド３０の軸方向へ推進されると、スライド部材２が案内軸１の軸方向へ推進されることになる。

前記フォーサ３１の軸方向長さ、すなわち前記コイル部材３２の配列方向に沿ったフォーサ３１の長さは、前記スライド部材２の軸方向長さよりも長尺に形成されている。これは、リニアモータ３の推力の増強を図るためである。このため、スライド部材２はフォーサ３１の長手方向の中央部に固定されており、フォーサ３１の長手方向の両端はスライド部材２によって覆われることなくスリット開口１２から案内軸１の外部に露出している。

一方、このようにフォーサ３１を長大化し、リニアモータ３の推力を向上させた結果として、仮にスライド部材２が限界停止位置を超えて案内軸１上でオーバーランを生じてしまった場合には、フォーサ３１の端部がエンドキャップ５に突き当たってしまい、フォーサ３１が破損してしまう事態が想定される。

そのような事態が発生した場合であっても、フォーサ３１の破損を防止するため、このリニアアクチュエータユニットではフォーサ３１を保護する一対のプロテクタプレート４が設けられている。図５はこれらプロテクタプレート４を装着した状態のフォーサ３１を示す側面図である。プロテクタプレート４は先端部４０が略Ｌ字状に屈曲したステンレス製プレートであり、スライド部材２を軸方向から挟むようにして、フォーサ３１のロッド矯正プレート３４に取り付けられている。プロテクタプレートをフォーサの取り付けた状態で、プロテクタプレート４の先端部４０とフォーサ３１の軸方向端面との間には隙間が形成される一方、プロテクタプレートの後端部４１はスライド部材２に当接している。また、フォーサ３１のロッド矯正プレート３４に対するプロテクタプレート４の取付けは若干の遊びを伴っており、プロテクタプレート４に作用する外力がロッド矯正プレート３４、ひいてはフォーサ３１に及ばないようになっている。

そして、このようなプロテクタプレート４を設けたことにより、スライド部材２を案内軸１に沿って運動させた際に、仮にスライド部材２が限界停止位置を超えてオーバーランを生じてしまったとしても、プロテクタプレート４がフォーサ３１に先立ってエンドキャップ５に衝突するので、フォーサ３１がエンドキャップ５に衝突することはなく、フォーサ３１の破損を防止することが可能となる。また、プロテクタプレート４の先端部４０とフォーサ３１の端面との間には隙間が存在し、しかもプロテクタプレート４の後端４１はスライド部材２に付き当てられていることから、プロテクタプレート４がエンドキャップ５と衝突したとしても、その衝撃力は案内軸１に組付けられたスライド部材２によって負荷され、フォーサ３１に作用することはない。このため、プロテクタプレート４のエンドキャップ５との衝突を原因として、スライド部材２に対するフォーサ３１の取付け姿勢、取付け位置が変化するといった悪影響を排除することが可能となる。

以上のような構成を有するリニアアクチュエータユニットでは、リニアモータ３を構成するマグネットロッド３０が磁性体からなる案内軸１の中空部１０に収容されており、しかもマグネットロッド３０は両端のみが支持された状態で中空部１０内に位置しているので、このマグネットロッド３０と案内軸１との間には磁気吸引力が作用する。もっとも、案内軸１には長手方向に沿って開口部１２が形成され、この開口部１２とマグネットロッド３０との間には磁気吸引力が作用しないことから、かかる磁気吸引力は案内軸１の周方向に関して均等に存在するのではなく、偏在することになる。このため、図１〜図３に示した構造のリニアアクチュエータユニットでは、マグネットロッド３０が案内軸１の開口部１２と反対側に向けて撓みを生じ易い傾向にある。

しかし、このリニアアクチュエータユニットでは、スライド部材２からその移動方向の前後に張り出したフォーサ３１に磁性体からなるロッド矯正プレート３４が装着されており、しかもフォーサ３１が案内軸１の開口部１２を介して外部に露出していることから、前記ロッド矯正プレート３４は案内軸１の開口部１２を塞ぐようにして位置していることになる。従って、磁性体からなるロッド矯正プレート３４とマグネットロッド３０との間に磁気吸引力が作用するため、かかるロッド矯正プレート３４が存在する領域、すなわちフォーサ３１とマグネットロッド３０とが重なっている領域では、磁気吸引力の偏在に起因したマグネットロッド３０の撓みが軽減されることになる。

また、ロッド矯正プレート３４はスライド部材２からその移動方向の前後に張り出しており、かかるスライド部材２と共にマグネットロッド３０の長手方向に沿って移動することから、スライド部材２の走行位置の前後においてマグネットロッド３０の撓みが軽減されることになる。

これにより、本発明のリニアアクチュエータでは、案内軸１に対するスライド部材２の運動の円滑化を図ることが可能になると共に、案内軸１の長手方向に対するスライド部材２の位置決め精度を高めることが可能となる。

また、図２及び図５に示す例では、前記プロテクタプレート４がロッド矯正プレート３４に装着されてスライド部材２の前後に大きく張り出しているので、このプロテクタプレート４を磁性体から形成することにより、かかるプロテクタプレート４に対して本発明のロッド矯正プレートとしての機能を発揮させることも可能である。その場合、フォーサ３１に対して着脱自在なプロテクタプレート４の厚み及び長さを任意に設定することにより、マグネットロッド３０の撓み量を任意に軽減することが可能となる。

Claims (3)

1. 中空部を有して筒状に形成されると共に軸方向に沿って１条の開口部が形成された磁性体からなる案内軸と、この案内軸に沿って自在に往復運動可能なスライド部材と、前記案内軸の中空部内に両端支持されるマグネットロッドと、前記案内軸の中空部内で前記マグネットロッドの周囲に配置されて当該マグネットロッドと相まってリニアモータを構成すると共に、前記案内軸の開口部を介して前記スライド部材と結合されたフォーサと、前記案内軸の開口部の一部を塞ぐようにして前記スライド部材に固定され、その移動方向の前後の特定領域に張り出した磁性体からなるロッド矯正プレートと、から構成されることを特徴とするリニアアクチュエータユニット。
2. 前記フォーサはその軸方向長さが前記スライド部材の軸方向長さよりも長尺に形成され、前記ロッド矯正プレートは前記フォーサの補強プレートを兼ねていることを特徴とする請求項１記載のリニアアクチュエータユニット。
3. 前記案内軸は軸方向に沿ったボール転走溝を外周面に有するスプライン軸である一方、前記スライド部材は多数のボールを介して前記スプライン軸の周囲を取り囲むように設けられたスプラインナットであることを特徴とする請求項１記載のリニアアクチュエータユニット。

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