JP6475444B2 - 電動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電動アクチュエータに関する。

従来、電動アクチュエータとしては、たとえば、螺子軸と、前記螺子軸に螺合されるボールナットと、螺子軸に連結されるモータと、ボールナットを軸方向移動自在に収容するシリンダと、ボールナットに連結されたピストンを備えて構成されており、モータで螺子軸を回転駆動するとシリンダに対して回り止めされたボールナットを軸方向へ駆動することができるようになっている（たとえば、特許文献１参照）。

このような電動アクチュエータに使用されるボールナットの内方にはグリスが充填してあって、螺子軸のボールナットに対する円滑な軸方向移動を可能としている（たとえば、特許文献２参照）。

特開平９−３２７１４９号公報 特開２０１１−１４４８３１号公報

しかしながら、従来の電動アクチュエータを用いて検体に高周波で小さい振幅の振動を与えるような振動試験を行う場合、グリスが螺子軸の螺子溝の全周に行きわたらずにボールナットのナット本体とボールとの間、或いは、ボールナットのボールと螺子軸の螺子溝との間の潤滑をうまく行うことができず、フレッティングと称される摩擦による表面損傷が引き起こされて、電動アクチュエータの劣化を早めてしまう問題がある。

そこで、本発明は、上記不具合を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、フレッティングによる劣化を抑制することができる電動アクチュエータを提供することである。

そして、本発明の電動アクチュエータは、運動変換部を収容するケース内および出力筒内に充填される潤滑油とケース内に収容される弾性部材を備えているので、回転部材と直動部材とが潤滑油に油浸され、常時、両者の潤滑が行われ、出力筒がケース内で出入りしても弾性部材の体積変化によって出力筒が円滑に移動することが可能である。

また、ケース内に気体を封入するのはなく、弾性部材の体積変化によって、出力筒の押しのけ容積の変動を吸収するので、電動アクチュエータの伸縮作動によってケース内で油面が波立って気体を巻き込んでしまうことがなくなる。このように本発明の電動アクチュエータによれば、潤滑油の気体の巻き込みが防止され、運動変換部に回転部材と直動部材が気体に触れることがないから両者の接触部位の油膜切れが生じることがなく、潤滑不良を引き起こすことが阻止される。

さらに、請求項２の課題解決手段では、中間筒を設けてケース本体との間に弾性部材を収容したので、ケース内で弾性部材が移動して出力筒に干渉し、出力筒の移動を妨げることもない。また、中間筒が直動部材のまわり止めとして機能しているので、回り止め自体も常時潤滑油に油浸され円滑な出力筒の伸縮作動が保証される。

また、請求項３の課題解決手段では、ケースが、ケース本体と、回転部材を回転自在に保持するホルダとを備えて、このホルダに潤滑油の注入口を設けているので、ホルダに備えられた回転部材を軸支するボールベアリングの至近から潤滑油が注入される。そのため、ボールベアリングについても潤滑油に満たされて潤滑不良を生じることがない。

そして、さらに、請求項４の課題解決手段では、螺子軸を回転部材として、ボールナットを直動部材としたので、ボールナットをモータに連結する場合に比較して、ボールナットを連結部品が不要となるので、電動アクチュエータが軽量となり、コストも低減されることになる。

本発明の電動アクチュエータによれば、微振幅で伸縮するような場合でも、運動変換部における回転部材と直動部材が常時潤滑油によって潤滑されるため、フレッティングが発生せず、電動アクチュエータの劣化を防止することができる。

本発明の実施の形態における電動アクチュエータの縦断面図である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態における電動アクチュエータ１は、図１に示すように、回転部材としての螺子軸３と螺子軸３に螺合される直動部材としてのボールナット４とを有する運動変換部２と、螺子軸３に連結されて螺子軸３を回転駆動するモータＭと、ボールナット４に装着される出力筒５と、運動変換部２を収容するとともに出力筒５が移動自在に挿入されるケースＣと、ケースＣ内に収容される弾性部材６と、ケースＣおよび出力筒５内に充填される潤滑油Ｊとを備えて構成される。そして、この実施の形態における電動アクチュエータ１は、モータＭを駆動することで、螺子軸３を回転させることでボールナット４を螺子軸３上で軸方向に移動させることができ、出力筒５を通じてボールナット４を移動させる推力を図示しない外部機器へ作用させることができる。

以下、電動アクチュエータ１の各部について詳細に説明する。運動変換部２は、回転部材と回転部材の回転によって直線運動を呈する直動部材とを備えて構成されており、この実施の形態の場合、回転部材を螺子軸３とし、直動部材を螺子軸３に螺合されるボールナット４とする送り螺子機構を成している。

そして、螺子軸３は、図１に示すように、円筒或いは円柱状に形成されるとともに、その外周に螺旋状の螺子溝３ｂが形成される螺子部３ａと螺子部３ａからモータ側に伸びるシャフト部３ｃとを備えている。ボールナット４は、詳しくは図示しないが、筒状とされており、内部に、螺子軸３の螺子溝３ｂに対向する螺旋状のボール通路と、ボール通路に収容されて螺子溝３ｂを走行する多数のボールとを備えて構成されている。ボールナット４を回り止めして螺子軸３を回転させると、前記ボールが螺子溝３ｂを走行してボールナット４を軸方向に滑らかに移動させることができるようになっている。

つづいて、モータＭは、図１に示すように、図示しないステータとロータを収容したモータ本体７と、ロータに連結された出力軸８とを備えて構成されており、出力軸８がカップリング９を介して螺子軸３の図１中左端に連結されている。モータＭに電流供給することで出力軸８を回転駆動させると、出力軸８に連結された螺子軸３も回転駆動されてボールナット４を軸方向に直線往復運動させることができる。

ボールナット４は、ナットホルダ１０を介して出力筒５に連結されている。ナットホルダ１０は、筒状であって、外周に設けられて軸方向に沿うキー１０ａと、外周に周方向に沿って装着されるウェアリング１０ｂを備えている。ナットホルダ１０の内周であって図１中左方に、ボールナット４が収容され、且つ固定されている。また、ナットホルダ１０の内周であって図１中右端には、出力筒５の図１中左端が螺子締結され、これにより、ボールナット４と出力筒５とが連結される。

出力筒５の図１中右端は、外部機器や検体への連結を可能とするブラケット１１が装着されている。また、出力筒５内には、環状のスライダ１２が摺動自在に挿入されている。スライダ１２は、外周に出力筒５の内周に摺接するシールリング１２ａを備えており、また、内周にはボールベアリング１２ｂとボールベアリング１２ｂの反ボールナット側である図１中右方に設けたシールリング１２ｃとを備えている。そして、出力筒５内には、螺子軸３が挿通されていて、螺子軸３の図１中右端がスライダ１２のボールベアリング１２ｂによって回転自在に支持されている。スライダ１２のシールリング１２ａ，１２ｃにより、出力筒５と螺子軸３との間がシールされ、螺子軸３の回転によって出力軸５が図１中左右方向に直線運動しても、出力筒５内のスライダ１２よりもボールナット４側である図１中左方側が密封状態に維持される。

ケースＣは、筒状のケース本体１３と、ケース本体１３の反モータ側である図１中右端に嵌合される環状のエンドキャップ１４と、ケース本体１３のモータ側である図１中左端に嵌合される環状のホルダ１５とを備えて構成されている。

エンドキャップ１４は、内周に設けた出力筒５の外周に摺接するすべり軸受１４ａと、同じく内周であってすべり軸受１４ａの反モータ側である図１中右方に設けたシールリング１４ｂとを備えており、出力筒５を摺動可能に軸支しつつ、ケース本体１３の図１中右端を閉塞している。これにより、エンドキャップ１４は、出力筒５のケースＣ内での直線方向の往復動をガイドしつつケースＣの右端を密封している。

ホルダ１５は、内周に装着されるボールベアリング１５ａ，１５ｂと、ボールベアリング１５ａ，１５ｂよりもモータ側に設けたシールリング１５ｃと、外周から開口して内部へ通じる注入口１５ｄと、注入口１５ｄを閉塞するプラグ１５ｅとを備えている。ホルダ１５は、モータＭと筒状の連結部材１７を介して連結されており、モータＭとケースＣとが一体化されている。

ケース本体１３は、筒状であって、エンドキャップ１４とホルダ１５の外周に装着されて、エンドキャップ１４とホルダ１５に一体化されている。ケース本体１３とエンドキャップ１４との間、および、ケース本体１３とホルダ１５との間にはシールリング１４ｃ，１５ｆが介装されており、ケース本体１３とエンドキャップ１４との間、および、ケース本体１３とホルダ１５との間は密封されている。

ホルダ１５内には、螺子軸３が挿通されており、螺子軸３の図１中左端は、ホルダ１５よりも外方へ突出している。また、螺子軸３は、ボールベアリング１５ａ，１５ｂによって回転自在に支持されている。よって、螺子軸３は、ホルダ１５に設けたボールベアリング１５ａ，１５ｂとスライダ１２に設けたボールベアリング１２ｂによって、両端が回転自在に支持されていて、軸ぶれすることなく回転運動を呈することができるように配慮されている。ホルダ１５側に二つのボールベアリング１５ａ，１５ｂを設けているが、一つで足りるのであれば、いずれか一方を廃止することも可能である。

ボールベアリング１５ａ，１５ｂは、これらの外側から、螺子軸３のシャフト部３ｃと螺子部３ａとの境に設けたフランジ３ｄと、螺子軸３の外周に嵌合される環状のカラー１８とで挟持されている。そして、シャフト部３ｃに螺着されるナット１９でカラー１８をフランジ３ｄへ向けて締め付けることで、螺子軸３をボールベアリング１５ａ，１５ｂに軸方向にガタなく装着することができる。

また、カラー１８とボールベアリング１５ａの内輪との間には、これらと螺子軸３の外周に密着するＯリング２０が介装されていて、螺子軸３の外周がシールされている。シールリング１５ｃは、カラー１８の外周に摺接しており、カラー１８の外周をシールしている。

また、この実施の形態の場合、ケースＣ内であって、ホルダ１５とエンドキャップ１４とに固定される中間筒１６が収容されている。具体的には、中間筒１６は、モータ側端である図１中左端がホルダ１５の内周に挿入されて固定され、反モータ側端である図１中右端がエンドキャップ１４の図１中左端を小径にして設けた段部１４ｄに嵌合されて固定されている。また、中間筒１６には、孔１６ａが設けられていて、ケース本体１３と中間筒１６との間の環状の隙間と中間筒１６内とが連通されている。さらに、中間筒１６の内周には、軸方向に沿って溝１６ｂが設けられている。この溝１６ｂにはナットホルダ１０の外周に設けたキー１０ａが走行可能に挿入されていて中間筒１６が回り止めとして機能し、ナットホルダ１０に保持されたボールナット４は、軸方向へ直線往復動が許容されるが周方向へ回転が規制される。なお、中間筒１６に溝１６ｂの代わりに、スリットを設けて、スリット内にキー１０ａを挿入するようにしてもよいし、キーを中間筒１６に設けてキーが走行する溝をナットホルダ１０に設けるようにしてもよい。

このように、ボールナット４が回り止めされるので、モータＭを駆動して螺子軸３を回転駆動させると、図１中左右方向へ直線往復動を呈し、出力筒５がケースＣに出入りしてブラケット１１に取り付けられる外部機器や検体を加振することができる。

そして、ケースＣおよび出力筒５内には、潤滑油Ｊが充填されている。この実施の形態の場合では、弾性部材６がケース本体１３と中間筒１６との間に収容されるので、より具体的には、潤滑油Ｊは、ケースＣ内であって出力筒５をケースＣとの間に形成される空間Ｓおよび出力筒５内に充填される。

潤滑油Ｊは、ホルダ１５に設けた注入口１５ｄを介して充填することができるようになっており、このようにホルダ１５に注入口１５ｄを設けることで、ボールベアリング１５ａ，１５ｂの至近から潤滑油ＪをケースＣ内へ注入することができ、ボールベアリング１５ａ，１５ｂを充分に油浸させることができる。また、本実施の形態では、ボールナット４と出力筒５とを連結するナットホルダ１０に出力筒５内と上記空間Ｓとを連通する通孔１０ｃを設けている。この実施の形態の場合、空間Ｓは、ナットホルダ１０によってモータ側のモータ側室ｒ１と反モータ側の反モータ側室ｒ２とに区画されているが、通孔１０ｃは、両室ｒ１，ｒ２を連通するとともに両室ｒ１，ｒ２を出力筒５内に連通している。通孔１０ｃを設けなくとも、ボールナット４と螺子軸３との間には隙間が有るため、潤滑油Ｊの出力筒５内への注入は可能ではあるが、このように通孔１０ｃを設けることで、注入口１５ｄから注入される潤滑油Ｊを出力筒５内へも速やかに充填することができる。

また、ケースＣの図１中右端は、出力筒５の外周に摺接するシールリング１４ｂによって密封され、ケースＣの図１中左端は、Ｏリング２０とシールリング１５ｃによって密封されている。さらに、出力筒５内に設けたスライダ１２のシールリング１２ａ，１２ｃにより、出力筒５と螺子軸３との間がシールされる。本実施の形態の電動アクチュエータ１では、このように摺動部がシールされることで、潤滑油ＪのケースＣおよび出力筒５からの漏洩が防止されている。なお、前記したようにケースＣ内であってシールリング１２ａ，１２ｃ，１４ｂ，１５ｃ，１５ｆおよびＯリング２０で密封される内方に、ボールベアリング１２ｂ，１５ａ，１５ｂ、ウェアリング１０ｂおよびすべり軸受１４ａ、キー１０ａおよび溝１６ｂでなる回り止め部のすべての摺動部が潤滑油Ｊに油浸されるため、これらの摺動部についても円滑な摺動が可能となっている。

弾性部材６は、環状であってケースＣのケース本体１３と中間筒１６との間に環状隙間に収容されている。このように、弾性部材６は中間筒１６によって位置決めされてケースＣ内で位置ずれすることがないように配慮されている。弾性部材６は、圧力が作用すると圧力に応じて体積が変化するようになっている。出力筒５が駆動されてケースＣ内で移動すると、出力筒５がケースＣ内で押しのける押しのけ容積が変化して、出力筒５内およびケースＣ内の圧力が変動する。この圧力変動は、中間筒１６に設けた孔１６ａを介して圧力変動が環状隙間内に収容された弾性部材６にも作用して、弾性部材６の体積が変化する。この弾性部材６の体積変化により、前述の出力筒５の移動による出力筒５のケースＣ内で押しのけ容積の変化分を吸収することができる。

したがって、弾性部材６は、ケースＣ内に出力筒５が出入りすることによる圧力変動に対してケースＣ内に出力筒５が出入りすることによる出力筒５の押しのけ容積を吸収可能なものであればよい。ただし、潤滑油ＪをケースＣ内および出力筒５内に充填することによる出力筒５の移動の減衰作用を少なくするには、弾性部材６の体積弾性率は低いほどよい。弾性部材６の材質は、潤滑油Ｊによって劣化しない物であれ制限がないが、前記した減衰作用の低減を考慮すると、弾性部材６には、たとえば、ウレタンゴムを使用するとよい。

また、出力筒５が駆動されると、出力筒５の移動量と移動方向に応じて出力筒５内、モータ側室ｒ１および反モータ側室ｒ２とを潤滑油Ｊが行き来することになるが、通孔１０ｃを設けることで潤滑油Ｊの移動を円滑になる。そのため、出力筒５内、モータ側室ｒ１内および反モータ側室ｒ２内の圧力に差圧が生じることを抑制することができ、出力筒５の移動を妨げる減衰力の発生を効果的に抑制することができる。

本発明の電動アクチュエータ１は、以上のように構成され、つづいて、その作動について説明する。前述したように、電動アクチュエータ１におけるモータＭを駆動して螺子軸３を回転させると、ケースＣに固定された中間筒１６によって回り止めされたボールナット４が送りねじの要領で図１中左右方向となる軸方向へ移動させることができる。これにより、ボールナット４に連結される出力筒５がケースＣから出入りして電動アクチュエータ１は、伸縮することができ、出力筒５に連結される図外の外部機器或いは検体を加振することができる。

ケースＣ内に出力筒５が出入りすることに伴って、ケースＣ内での出力筒５の押しのけ容積が変化するが、この変化は、弾性部材６の体積変化によって吸収される。このように、潤滑油ＪをケースＣ内および出力筒５内に充填しても、ケースＣ内での出力筒５の押しのけ容積が変化弾性部材６の体積変化によって吸収されるので、電動アクチュエータ１は円滑に伸縮駆動することができる。

そして、本発明の電動アクチュエータ１は、ケースＣ内および出力筒５内に充填される潤滑油ＪとケースＣ内に収容される弾性部材６を備えているので、螺子軸３の螺子溝３ｂとボールナット４のボールとが潤滑油Ｊに油浸される。このように、常時、螺子軸３とボールナット４の潤滑が行われるとともに、出力筒５がケースＣ内で出入りしても弾性部材６の体積変化によって出力筒５が円滑に移動可能となる。よって、本発明の電動アクチュエータ１によれば、微振幅で伸縮するような場合でも、運動変換部２における回転部材としての螺子軸３と直動部材としてのボールナット４とが常時潤滑油Ｊによって潤滑されるため、フレッティングが発生せず、電動アクチュエータ１の劣化を防止することができる。

また、ケースＣ内に気体を封入するのはなく、弾性部材６の体積変化によって、出力筒５の押しのけ容積の変動を吸収するので、電動アクチュエータ１の伸縮作動によってケースＣ内で油面が波立って気体を巻き込んでしまうことがなくなる。このように本発明の電動アクチュエータ１によれば、潤滑油Ｊの気体の巻き込みが防止され、運動変換部２に回転部材と直動部材が気体に触れることがないから両者の接触部位の油膜切れが生じることがなく、潤滑不良を引き起こすことが阻止される。

本実施の形態の電動アクチュエータ１では、中間筒１６を設けてケース本体１３との間に弾性部材６を収容したので、ケースＣ内で弾性部材６が移動してしまって出力筒５に干渉して出力筒５の移動を妨げることもない。また、中間筒１６が直動部材としてのボールナット４のまわり止めとして機能しているので、回り止めを構成するキー１０ａと溝１６ｂとが潤滑油Ｊに油浸されて潤滑されるため円滑な出力筒５の伸縮作動が保証される。なお、中間筒１６は、回転部材の回り止めと弾性部材６の位置決めとして機能しているが、中間筒１６以外で回転部材の回り止めを実施してもよく、弾性部材６の位置決めについても他の構成によって行うことも可能である。しかしながら、中間筒１６を用いることで回転部材の回り止めと弾性部材６の位置決めの両機能を満足させることができる点で有利となる。

運動変換部２は、この実施の形態の場合、螺子軸３を回転部材として、ボールナット４を直動部材としているが、反対に、ボールナット４を回転部材として、螺子軸３を直動部材とすることも可能である。ボールナット４を回転部材とする場合、モータＭの出力軸８をボールナット４に連結する連結部品が必要となるが、この連結部品は螺子軸３の挿通を許容しなければならず筒状であることを要する。このように、ボールナット４をモータＭの出力軸８に連結する連結部品が必要になることに加えて、ストローク確保の観点からボールナット４をできるだけモータＭから離間させた方が良いので連結部品の長さが長くなる。対して、本実施の形態の電動アクチュエータ１のように、螺子軸３を回転部材とする場合には、ボールナット４を出力軸８に連結する連結部品が不要となるので、ボールナット４を回転部材とする場合に比較して、電動アクチュエータ１が軽量となって、コストも低減されることになる。

なお、運動変換部２は、上記したところでは、螺子軸３とボールナット４とで構成されるが、図示はしないが、螺子軸とボールを使用しないナットとで構成されてもよいし、回転部材をピニオンとして直動部材をピニオンに噛み合うラックとして構成することも可能である。この場合、ケースＣの構造としては、ケースＣ内に運動変換部２を収容して運動変換部２における回転部材と直動部材とが接触する部位を潤滑油Ｊで常時油浸状態にすることができる構造とすればよい。

また、上記したところでは、通孔１０ｃを設けて出力筒５の移動に際して減衰力の発生を抑制して、出力筒５の移動を円滑なものとするようにしている。このような通孔１０ｃを設けることに代えて、出力筒５と空間Ｓとを連通する必要はあるが、中間筒１６の内周に溝を設けてモータ側室ｒ１と反モータ側室ｒ２とを連通するか、他にモータ側室ｒ１と反モータ側室ｒ２とを連通する通路を設けるようにしてもよい。なお、通孔１０ａや前記した通孔１０ａの流路抵抗を調節する弁を設けることもできる。さらに、通孔１０ａを設ける代わりに前記通路を設ける場合には通路の流路抵抗を調節する、弁を設けることができる。このように弁を設ける場合には、緊急時などで通孔１０ａの流路抵抗を大きくして、減衰力を発生させて電動アクチュエータ１の伸縮作動を減衰させることが可能である。さらに、通孔１０ｃを設けることに代えて、電動アクチュエータ１の中間筒１６の内周に軸方向に沿う溝を設けることでナットホルダ１０で仕切られるモータ側室ｒ１と反モータ側室ｒ２とを連通する場合、中間筒１６の両端側で溝の深さを浅くしたり、溝の幅を狭くしたりすることで溝の断面積を中央部よりも小さくすることができる。このようにする場合、ナットホルダ１０が溝の断面積が小さくなる区間に差し掛かると、出力筒５の移動に対して減衰力が発生してストロークエンドで出力筒５の移動を抑制するクッション機能を発揮させてもよい。

ナットホルダ１０を用いて、ボールナット４を出力筒５に連結しているが、ボールナット４を出力筒５に直接連結してナットホルダ１０を省略することも可能である。

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。

１・・・電動アクチュエータ、２・・・運動変換部、３・・・ 螺子軸（回転部材）、４・・・ボールナット（直動部材）、５・・・出力筒、６・・・弾性部材、Ｃ・・・ケース、Ｊ・・・潤滑油、Ｍ・・・モータ、１３・・・ケース本体
１４・・・エンドキャップ、１５・・・ホルダ、１５ａ，１５ｂ・・・ボールベアリング、１５ｄ・・・注入口

Claims (4)

1. 回転部材と前記回転部材の回転によって直線運動を呈する直動部材とを有する運動変換部と、
   前記回転部材に連結されるモータと、
   前記直動部材に連結される出力筒と、
   前記運動変換部を収容するとともに前記出力筒が移動自在に挿入されるケースと、
   前記ケース内に収容される弾性部材と、
   前記ケース内および出力筒内に充填される潤滑油とを備え、
   前記弾性部材の体積変化で前記ケース内に出入りする前記出力筒の押しのけ容積を吸収する
   ことを特徴とする電動アクチュエータ。
2. 回転部材と前記回転部材の回転によって直線運動を呈する直動部材とを有する運動変換部と、
   前記回転部材に連結されるモータと、
   前記直動部材に連結される出力筒と、
   前記運動変換部を収容するとともに前記出力筒が移動自在に挿入されるケースと、
   前記ケース内に収容される弾性部材と、
   前記ケース内および出力筒内に充填される潤滑油と、
   前記ケースと前記出力筒との間に配置されて、前記直動部材の周方向のまわり止めする中間筒とを備え、
   前記弾性部材は筒状であって、前記中間筒と前記ケースとの間に収容される
   ことを特徴とする電動アクチュエータ。
3. 前記ケースは、
   筒状であって前記出力筒を収容するケース本体と、
   前記ケース本体のモータ側端に設けられて前記回転部材を回転自在に保持するホルダと、
   前記ケース本体の反モータ側端に設けられて前記出力筒を摺動可能に支持する環状のエンドキャップとを備え、
   前記ホルダに前記潤滑油を注入するための注入口を設けた
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動アクチュエータ。
4. 前記回転部材は、螺子軸であって、
   前記直動部材は、前記螺子軸に螺合するボールナットであり、
   前記モータに前記螺子軸を連結した
   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電動アクチュエータ。

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