JP5346199B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、リニアアクチュエータに関する。

従来、この種のリニアアクチュエータとしては、たとえば、アウターチューブと、アウターチューブ内に移動自在に挿入される中空なロッドと、ロッド内に軸方向に並べて収容される複数の環状の永久磁石を備えた界磁と、界磁に対向するようにアウターチューブに軸方向に並べて保持される複数のコイルとを備えて構成され、アウターチューブとロッドを軸方向に相対変位させる推力を発生するようになっている。

このようなリニアアクチュエータにあっては、磁石保護とロッド軽量化のために、ロッドを中空として、当該ロッド内に永久磁石を軸方向に積層して収容する構造を採用している（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００７−１７４８０３号公報（図１、図７）

従来のリニアアクチュエータにあっては、上記の如く、軽量化のためにロッドを薄肉円筒としているので、曲げ荷重に対する剛性が低く、曲げ荷重が作用するとロッドに大きな撓みが生じ、隣り合う永久磁石の端面同士であってロッドの曲率中心側が互いに押し合うことになって、当該部位に大きな圧縮荷重が作用する虞がある。そして、永久磁石は一般的に脆弱であるので、永久磁石にこのような圧縮荷重が作用する環境は好ましくない。

そこで、本発明は上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、ロッドの曲げ剛性を向上でき永久磁石を保護できるリニアアクチュエータを提供することである。

上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段の一つは、アウターチューブと、上記アウターチューブ内に移動自在に挿入される中空なロッドと、上記ロッド内に軸方向に並べて収容される複数の永久磁石を備えた界磁と、上記界磁に対向するように上記アウターチューブに保持される複数のコイルと、上記ロッドの内周に軸方向に沿って設けたリブと、隣り合う上記永久磁石の間に介装されるスペーサとを備え、上記リブは上記ロッドの円周方向に等間隔を持って少なくとも三つ以上設けられ、上記スペーサの外周は上記各リブの先端と当接され、上記スペーサは軸方向から見て上記永久磁石より小さく設定され、上記アウターチューブと上記ロッドを軸方向に相対変位させる推力を発生させることを特徴とする。
同じく、他の課題解決手段は、アウターチューブと、上記アウターチューブ内に移動自在に挿入される中空ロッドと、上記ロッド内に軸方向に並べて収容される複数の永久磁石を備えた界磁と、上記界磁に対向するように上記アウターチューブに保持される複数のコイルと、上記ロッドの内周に軸方向に沿って設けたリブと、隣り合う上記永久磁石の間に介装されるスペーサとを備え、上記リブは上記ロッドの円周方向に等間隔を持って少なくとも三つ以上設けられ、上記スペーサは外周に面取が施されて形成された面取部を有し、この面取部を上記各リブの先端と当接させ、上記アウターチューブと上記ロッドを軸方向に相対変位させる推力を発生させることを特徴とする。

本発明のリニアアクチュエータによれば、ロッドが内周にリブと、永久磁石間に介装されるスペーサを備えているので、従来の円筒状ロッドに比較して曲げ剛性が高いので、ロッドに曲げ荷重が作用しても撓み量が少なくなるとともに、スペーサの存在によって、ロッドの曲げ剛性をより一層向上させることができる。そして、ロッドの撓み量が少なくなるため、ロッドが撓むことによって永久磁石に作用する圧縮力が小さくなり、永久磁石が保護されることになる。

さらに、アウターチューブとロッドの相対変位の妨げとなるロッドの撓み量が小さくなるので、リニアアクチュエータの円滑な伸縮を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図1は、本発明の基本構造を示す参考例におけるリニアアクチュエータの縦断面図である。図２は、本発明の上記参考例におけるリニアアクチュエータのロッドの拡大横断面図である。図３は、本発明の一実施の形態におけるリニアアクチュエータの縦断面図である。図４は、本発明の一実施の形態におけるリニアアクチュエータの横断面図である。図５は、本発明の一実施の形態の他の変形例におけるリニアアクチュエータの縦断面図である。図６は、本発明の一実施の形態の他の変形例におけるリニアアクチュエータの横断面図である。

参考例におけるにリニアアクチュエータ１は、図１に示すように、アウターチューブ２と、アウターチューブ２内に移動自在に挿入される中空なロッド３と、ロッド３内に軸方向に並べて収容される複数の永久磁石５を備えた界磁４と、界磁４に対向するように軸方向に並べてコア６を介してアウターチューブ２に保持される複数のコイル７とを備えて構成されており、上記各コイル７を適宜励磁することによって、界磁４を保持するロッド３と、コイル７を保持するアウターチューブ２を軸方向に相対変位させる推力を発生することができるようになっている。

以下、リニアアクチュエータ１の各部について詳しく説明する。ロッド３は、パイプ１０と、パイプ１０のアウターチューブ２側の端部に連結されるスライドリング保持部１１と、パイプ１０の反アウターチューブ２側の端部に連結されるキャップ１２とを備えて構成され、内部が中空になっている。

パイプ１０の内周には、図１および図２に示すように、軸方向に沿って内方へ突出する三つのリブ１０ａが円周方向に等間隔を持って設けられている。また、スライドリング保持部１１は、外径がパイプ１０の外径より大径である保持部本体１１ａと、保持部本体１１ａの右端から立ち上がる小径部１１ｂとを備えており、小径部１１ｂをパイプ１０の図１中左端となるアウターチューブ２側の端部内に嵌合させることでパイプ１０に一体化され、上記パイプ１０の端部を閉塞している。

また、スライドリング保持部１１の保持部本体１１ａの外周には、インナーチューブ２の内周に摺接する筒状のスライドリング８が装着されている。このスライドリング８は、合成樹脂製とされており、アウターチューブ２の内周を摺動する際に、両端の外周縁でアウターチューブ２の内周をかじることがないようになっている。したがって、スライドリング８とアウターチューブ２の摺動の際にスティックスリップを生じにくくなっている。

さらに、キャップ１２は、キャップ本体１２ａと、キャップ本体１２ａの左端から立ち上がってパイプ１０の図１中右端となる反アウターチューブ２側の端部内に嵌合する小径部１２ｂと、キャップ本体１２ａの図１中右端に設けられた取付孔を備える取付部１２ｃとを備え、パイプ１０に一体化されて上記パイプ１０の端部を閉塞している。

このように構成されたロッド３にあっては、曲げ荷重が作用しても、上記リブ１０ａを備えているので、従来の円筒形ロッドに比較して曲げ剛性が向上して、撓みにくくなっている。なお、リブ１０ａが三つ円周方向に等間隔を持って設けられているので、パイプ１０の曲げ剛性における円周方向でのバラつきを少なくすることができ、円周方向の全体で曲げ剛性を円筒形ロッドに比較して向上させることができる。なお、リブ１０ａの数は、任意であるが、複数設ける場合には円周方向に等間隔を持って設けるとパイプ１０の曲げ剛性における円周方向でのバラつきを少なくすることができ、上記バラつきをより少なくするには、リブ１０ａを三つ以上とするとよい。

つづいて、永久磁石５は、上記ロッド３におけるパイプ１０内に収容されることでロッド３に保持されており、この場合、軸方向にＮ極とＳ極が現れるように着磁されており、隣り合う永久磁石５は同極同士を対向させてロッド３に軸方向に並べて保持されている。したがって、ロッド３の外周にこれらの永久磁石５によって、コイル７へ作用させる磁界が発生されており、これらの永久磁石５でリニアアクチュエータ１における界磁４を構成している。なお、ロッド３は、強磁性体材料で形成されるとロッド３内に磁束が集中して永久磁石５の外周周りにおける磁束に影響を与えるので、非磁性体材料によって形成されるとよい。

より詳細には、各永久磁石５は、環状とされるとともにリブ１０ａの挿入を許容する凹部５ａを備え、端部同士が互いに接触するように軸方向に並べて積層されてパイプ１０内に収容され、その外周をパイプ１０の内周に当接して、パイプ１０によって径方向に位置決められるようになっている。また、これら永久磁石５は、互いに端部を接触させつつ上記パイプ１０内に収容されており、パイプ１０の両端に嵌合されるスライドリング保持部１１とキャップ１２によって挟持され、軸方向の移動も規制されており、軸方向についても位置決められている。

なお、永久磁石５は、内周と外周で極が異なるように着磁されていてもよく、いずれにしても、ロッド３の軸方向に沿ってＳ極とＮ極が交互に現れるようになっていればよい。図示するところでは、永久磁石５は、ロッド３に六個設けられているが、リニアアクチュエータ１の駆動ができる限りにおいて、設置数は複数であればよく、これに限られない。また、この実施の形態の場合、永久磁石５を環状とせずに円盤状としてもよいが、環状とすることで界磁４を含んだロッド３の重量を軽減することができる利点がある。さらに、永久磁石５の外周をリブ１０ａの先端１０ｂに当接させることで、永久磁石５のパイプ１０に対する径方向への位置決めを行う場合、永久磁石５に凹部５ａを設ける必要はない。

つづいて、アウターチューブ２は、この実施の形態では、有底筒状とされて、内周に筒状のコア６が装着されている。そして、アウターチューブ２およびコア６内には上記したロッド３が移動自在に挿入されており、ロッド３の外周はアウターチューブ２の開口端に設けた筒状のスライドリング９に摺動自在に軸支されている。

スライドリング９は、合成樹脂製とされており、ロッド３の外周となるパイプ１０の外周に摺接し、パイプ１０の外周を摺動する際に、両端の外周縁でパイプ１０の外周をかじることがないようになっている。したがって、スライドリング９とアウターチューブ２の摺動の際にスティックスリップを生じにくくなっている。

また、上述したロッド３に保持されるスライドリング８は、アウターチューブ２の内周であってコア６に干渉しない部位に摺接しており、ロッド３は、アウターチューブ２に対してスライドリング８，９によって支持されており、アウターチューブ２に対して軸ぶれが阻止され、アウターチューブ２とロッド３は円滑に軸方向の相対変位することができるようになっている。

さらに、インナーチューブ２の内周であってコア６より内側となる図１中左方側には、小径部２ｂが設けられており、ロッド３がアウターチューブ２内から退出する方向に相対変位する際には、ロッド３のスライドリング保持部１１の図１中右端と小径部２ｂの図１中左端が衝合するとそれ以上のリニアアクチュエータ１の伸長が規制され、反対に、ロッド３がアウターチューブ２内へ侵入する方向に相対変位してスライドリング保持部１１の図１中左端と底部２ａの内面とが衝合するとそれ以上のリニアアクチュエータ１の収縮が規制されるようになっている。

このようにアウターチューブ２に対するロッド３のストローク範囲が、上記の構造によって規定されるが、このストローク範囲内では、コア６が必ずロッド３の界磁４の軸方向長さ範囲内に位置して界磁４に対向するようになっており、リニアアクチュエータ１が推力を発生不能となることを防止している。

また、アウターチューブ２の底部２ａの外端には、取付孔を備えた取付部１３が設けられており、この取付部１０とロッド３の取付部１２ｃとを介してリニアアクチュエータ１を外部機器へ取付ることが可能となっている。

コア６は、コイル７を収容する複数のスロット６ａと、両端およびスロット６ａ，６ａ間に設けた複数の極歯６ｂとを備えて構成されている。このように構成されたコア６は、この場合、筒状とされて内周をロッド３の界磁４に対向させており、コイル７を励磁して極歯６ｂを磁化することで、ロッド３の界磁４における永久磁石５を吸引、反発させることでアウターチューブ２とロッド３に軸方向に相対変位させる推力を発生させるようになっている。なお、コア６は、必ずしも筒状とされずともよく、ロッド３に保持される界磁４もロッド３の外周の全周に亘って磁界を形成せずにコア６に対向する方向へ磁界を発生するようにしてもよいが、永久磁石５を円筒あるいは円盤状としてロッド３の外周に磁界を発生させるとともにコア６を円筒状に形成してロッド３の外周を囲むようにしておくことで、コア６に対してロッド３が円周方向に回転しても推力が変化しないという利点がある。また、本実施の形態では、コイル７をコア６に装着するようにしているが、コア６を省略してアウターチューブ２に直接コイル７を装着することも可能である。

より詳しくは、各コイル７は、ロッド３の外周を取り巻くようにスロット６ａ内に装着されることによって、アウターチューブ２に軸方向に並べて配置されつつ保持され、図示するところでは、コア６にＵ相、Ｖ相、Ｗ相を二つずつの合計６個設けられて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順に配置されている。そして、たとえば、コア６のロッド３に対する電気角に基づいて通電位相切換を行うとともに、ＰＷＭ制御により、各コイル７の電流量を制御してリニアアクチュエータ１の推力と推力の発生方向を制御することができるようになっている。なお、リニアアクチュエータ１の制御にあたっては、コア６に対する永久磁石５の相対位置を把握できればよいので、磁気センサその他の上記相対位置を把握することができる手段を設けておけばよい。また、コイル７の数は、このリニアアクチュエータ１によって発生する推力や通電方式に適した数に設定されればよい。

さて、リニアアクチュエータ１は以上のように構成され、コイル７へ通電することによって、アウターチューブ２とロッド３を相対変位させる推力を発生し、これらアウターチューブ２とロッド３を相対変位させて、伸縮することができる。

また、アウターチューブ２とロッド３とを軸方向に相対変位させる外力が作用する場合、コイル７への通電、あるいは、コイル７に発生する誘導起電力によって、上記相対変位を抑制する推力を発生させてリニアアクチュエータ１に上記外力による機器の振動や運動をダンピングさせることもできる。

そして、このリニアアクチュエータ１にあっては、ロッド３が内周にリブ１０ａを備えているので、従来の円筒状ロッドに比較して曲げ剛性が高いので、ロッド３に曲げ荷重が作用しても撓み量が少なくなる。ここで、ロッド３が撓むと、隣り合う永久磁石５の曲率中心側の端部外周同士が押付けられて当該端部外周に圧縮力が作用するとともに、パイプ１０の曲率中心の反対側から各永久磁石５の両端部外周に圧縮力が作用することになるが、上記のようにロッド３の撓み量が小さくなるので、上記の各圧縮力は小さくなって、永久磁石５が保護されることになる。

さらに、アウターチューブ２とロッド３の相対変位の妨げとなるロッド３の撓み量が小さくなるので、リニアアクチュエータ１の円滑な伸縮を実現することができる。

また、上述したところでは、永久磁石５同士を直接接触させてパイプ１０内に挿入していたが、図３に示すように、永久磁石５，５間に、リブ１０ａの先端１０ｂに外周を当接するスペーサ１４を介装するようにしてもよい。

このスペーサ１４は、図３および図４に示すように、軸方向から見て永久磁石より小さく設定し、外周たる頂部に面取を施した三角形状をしており、面取部１４ａをリブ１０ａの先端１０ｂに当接させてパイプ１０内で径方向に位置決めされるようになっている。そして、このスペーサ１４は、パイプ１０に径方向の強度を向上する梁として機能し、スペーサ１４の存在によってパイプ１０の曲げ剛性、すなわち、ロッド３の曲げ剛性をより一層向上させることができる。なお、スペーサ１４は、外周をリブ１０ａの先端１０ｂに当接させることができ、パイプ１０の径方向の圧縮強度を向上できるようになっていればよいので、その形状は任意であり、具体的にはたとえば、外周をリブ１０ａの先端１０ｂに当接する円盤とされてもよい。

このように、リブ１０ａの先端１０ｂに当接するスペーサ１４を永久磁石５，５間に介装することで、ロッド３の曲げ剛性を一層高めることができるので、曲げ荷重作用時におけるロッド３の撓み量をより低減でき、永久磁石５の保護効果が高くなるとともに、リニアアクチュエータ１はより一層円滑に伸縮することができる。

なお、リブ１０ａを少なくとも三つ以上円周方向に等間隔を持って設けるようにしておくことで、スペーサ１４によるパイプ１０の曲げ剛性向上効果の円周方向でのバラつきを少なくすることができる利点がある。

さらに、図５に示すように、ロッド１５を、インナーロッド１６と、インナーロッド１６の外周を覆ってインナーロッド１６との間に環状の空隙を形成するパイプ１７とで構成するようにしてもよい。

詳しく説明すると、インナーロッド１６は、軸部１６ｃと、軸部１６ｃの両端に設けた大径部１６ａ，１６ｂと、先端の大径部１６ａに連なる大径部１６ａよりも大径のスライドリング保持部１６ｄと、基端の大径部１６ｂに連なるとともに取付孔を備えた取付部１６ｅとを備えており、パイプ１７が上記大径部１６ａ，１６ｂの外周に装着されてインナーロッド１６の大径部１６ａ，１６ｂ間に環状の空隙を形成し、当該空隙内には軸方向に並べて配置される複数の環状の永久磁石５が収容される。

パイプ１７は、図示するところでは、その内周に軸方向に沿って、円周方向に等間隔に設置される三つのリブ１７ａを備えており、パイプ１７自身の曲げ強度が高められている。

また、永久磁石５は、環状とされて内径がインナーロッド１６の大径部１６ａ，１６ｂ間の軸部１６ｃの外径より大径に設定されており、また、永久磁石５，５間には、スペーサ１８が介装されている。

永久磁石５は、インナーロッド１６とパイプ１７との間の空隙内に収容されると、インナーロッド１６との間に環状の隙間を形成するとともに、リブ１７ａの挿入を許容する凹部５ａを備えて外周がパイプ１７の内周に当接するようになっている。

スペーサ１８は、図６に示すように、中心部にインナーロッド１６の挿通を許容する孔１８ａを備えるとともに頂部に面取を施した三角形状をしており、面取部１８ｂをリブ１７ａの先端１７ｂに当接させてパイプ１７内で径方向に位置決めされるようになっている。

なお、スペーサ１８の孔１８ａの内径は、インナーロッド１６の大径部１６ａ，１６ｂ間の軸部１６ｃの外径より大径に設定されており、インナーロッド１６との間に環状の隙間が形成されるようになっている。

そして、ロッド１５に曲げ荷重が作用してインナーロッド１６が撓んでも永久磁石５およびスペーサ１８が環状の隙間を空けてインナーロッド１６の外周に臨んでおり、インナーロッド１６が永久磁石５やスペーサ１８に干渉することが無いようになっている。

このように、図５に示したリニアアクチュエータにあっては、パイプ１７の他に軸部１６ｃを備えたインナーロッド１６を備えているので、ロッド１５の曲げ剛性を一層高めることができ、曲げ荷重作用時におけるロッド１５の撓み量をより低減でき、永久磁石５の保護効果が高くなるとともに、リニアアクチュエータはより一層円滑に伸縮することができる。なお、この実施の形態の場合、スペーサ１８を備えているので、ロッド１５の撓み量の低減効果がインナーロッド１６のみを設ける場合以上に高くなるが、スペーサ１８を省略することもできる。

加えて、永久磁石５の内径がインナーロッド１６の大径部１６ａ，１６ｂ間の軸部１６ｃの外径より大きく設定されているので、ロッド１５の撓み時に、インナーロッド１６が永久磁石５の内周へ干渉することも防止でき、ロッド１５の曲げ剛性の向上と引き換えに永久磁石５の保護の程度が悪化することも無い。

また、永久磁石５の内径がインナーロッド１６の大径部１６ａ，１６ｂ間の軸部１６ｃの外径より大径に設定され、スペーサ１８の孔１８ａの内径がインナーロッド１６の大径部１６ａ，１６ｂ間の外径より大径に設定されているので、永久磁石５およびスペーサ１８をインナーロッド１６とパイプ１７との間の空隙に収容する際に、インナーロッド１６の軸芯とパイプ１７の軸芯に少々のズレがあっても、これらの収容が不能となってしまうことがなく、高度な寸法管理を強いられることが無い。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

本発明の基本構造を示す参考例におけるリニアアクチュエータの縦断面図である。 本発明の基本構造を示す参考例におけるリニアアクチュエータのロッドの拡大横断面図である。 本発明の一実施の形態におけるリニアアクチュエータの縦断面図である。 本発明の一実施の形態におけるリニアアクチュエータの横断面図である。 本発明の一実施の形態の他の変形例におけるリニアアクチュエータの縦断面図である。 本発明の一実施の形態の他の変形例におけるリニアアクチュエータの横断面図である。

符号の説明

１ リニアアクチュエータ
２ アウターチューブ
２ａ アウターチューブにおける底部
２ｂ アウターチューブにおける小径部
３，１５ ロッド
４ 界磁
５ 永久磁石
５ａ 凹部
６ コア
６ａ コアにおけるスロット
６ｂ コアにおける極歯
７ コイル
８ スライドリング
９ スライドリング
１０，１７ ロッドにおけるパイプ
１０ａ，１７ａ リブ
１０ｂ，１７ｂ リブの先端
１１ スライドリング保持部
１１ａ スライドリング保持部における保持部本体
１１ｂ スライドリング保持部における小径部
１２ キャップ
１２ａ キャップにおけるキャップ本体
１２ｂ キャップにおける小径部
１２ｃ キャップにおける取付部
１３ 取付部
１４，１８ スペーサ
１４ａ，１８ｂ スペーサにおける面取部
１６ ロッドにおけるインナーロッド
１６ａ，１６ｂ インナーロッドにおける大径部
１６ｃ インナーロッドにおける軸部
１６ｄ インナーロッドにおけるスライドリング保持部
１６ｅ インナーロッドにおける取付部
１８ａ スペーサにおける孔

Claims (4)

1. アウターチューブと、上記アウターチューブ内に移動自在に挿入される中空なロッドと、上記ロッド内に軸方向に並べて収容される複数の永久磁石を備えた界磁と、上記界磁に対向するように上記アウターチューブに保持される複数のコイルと、上記ロッドの内周に軸方向に沿って設けたリブと、隣り合う上記永久磁石の間に介装されるスペーサとを備え、上記リブは上記ロッドの円周方向に等間隔を持って少なくとも三つ以上設けられ、上記スペーサの外周は上記各リブの先端と当接され、上記スペーサは軸方向から見て上記永久磁石より小さく設定され、上記アウターチューブと上記ロッドを軸方向に相対変位させる推力を発生させることを特徴とするリニアアクチュエータ。
   
2. アウターチューブと、上記アウターチューブ内に移動自在に挿入される中空ロッドと、上記ロッド内に軸方向に並べて収容される複数の永久磁石を備えた界磁と、上記界磁に対向するように上記アウターチューブに保持される複数のコイルと、上記ロッドの内周に軸方向に沿って設けたリブと、隣り合う上記永久磁石の間に介装されるスペーサとを備え、上記リブは上記ロッドの円周方向に等間隔を持って少なくとも三つ以上設けられ、上記スペーサは外周に面取が施されて形成された面取部を有し、この面取部を上記各リブの先端と当接させ、上記アウターチューブと上記ロッドを軸方向に相対変位させる推力を発生させることを特徴とするリニアアクチュエータ。
   
3. 上記永久磁石が環状であって外周を上記ロッドの内周に当接させたことを特徴とする請求項１または２に記載のリニアアクチュエータ。
   
4. 上記ロッドは、インナーロッドと、上記インナーロッドの外周を覆って上記インナーロッドとの間に環状の空隙を形成するパイプとを備え、上記各永久磁石は、環状であって内径が上記インナーロッドの外径より大径に設定されて上記空隙内に軸方向に並べて収容されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のリニアアクチュエータ。

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