JP6869738B2 - 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。

ロータの回転を出力軸の直線運動に変換する構造のリニアアクチュエータが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の構造では、ステータ、フロントプレート、フロントハウジングが軸方向で積層されている。この構造において、特許文献２に記載された技術が公知である。この技術では、ステータを樹脂モールドする際にフロントプレートの孔部と結合するボス部をモールド樹脂により形成する。

特開２０１３−２４３６０号公報 特開平８−９８４９８号公報

特許文献２に記載された技術では、ステータをモールドする樹脂により、ボス部（突起部分）が形成される。この技術では、ボス部の突出長がモールド形成時の条件によって決まる。しかしながら、狭い部分に流し込んだ樹脂を孔から突出させ、ボス部を形成する製造条件は微妙であり、ボス部の突出長を正確に制御するには製造条件の厳密な管理が必要となり、高コストとなる。

ステータを樹脂でモールドする工程の条件を緩和させれば、コスト的に有利となるが、そうすると、ボス部の突出長が安定しない。この構造では、ボス部の突出長によってステータとフロントハウジングの位置関係が決まるので、ボス部の突出長に変動があるとステータとフロントハウジングの位置関係にバラツキが生じる。このバラツキは、出力軸の可動範囲のバラツキとなるので、極力抑える必要がある。

このような背景において、本発明は、コスト増を招かずにステータとフロントハウジングを安定した位置関係にできる技術の提供を目的とする。

本発明は、軸方向に端面を有するステータヨークと、前記ステータヨークの内側に配置され、コイルが巻かれたボビンと、前記ステータヨークの前記端面に固定されたフロントプレートと、前記フロントプレートと結合したフロントハウジングとを備え、前記フロントハウジングには前記フロントプレートに設けられた第１の孔を通過する第１の突部が設けられ、前記ボビンには前記フロントプレートに設けられた第２の孔に挿入される第２の突部が設けられ、前記第１の突部の先端が前記ステータヨークの前記端面に接触しているリニアアクチュエータである。

本発明において、前記第２の突部によって前記ステータヨークに対する前記フロントプレートの位置決めが行われており、前記フロントプレートは金属製で前記ステータヨークに溶接により固定されており、前記フロントプレートは、前記フロントハウジングに係合する腕部を備えている構成は好ましい。

本発明において、前記第１の突部の周囲における前記フロントハウジングと前記ステータヨークの前記端面との間の距離は、前記フロントプレートの厚みより大きい構成は好ましい。

本明細書で開示する他の発明は、シャフトと接続されたロータと、前記ロータの周囲に配置されたステータと、前記ロータを回転可能に支持する軸受と、前記軸受と接触し、前記軸受を収容する軸受収容空間と、前記ステータの端面と接触する第１の突部とを有するハウジングと、前記ステータの端面に接触する基部と、前記ハウジングを支持する支持部とを有し、前記基部に形成され前記第１の突部が通過する第１の孔を有するプレートとを有するリニアアクチュエータである。

この発明において、前記ステータは、コイルが巻かれ第２の突部を有するボビンと、前記ステータの前記端面に形成され前記第２の突部が通過する貫通孔とを備え、前記プレートの前記基部には、前記第２の突部が内側に配置される第２の孔が形成されている構成は好ましい。

上記の発明において、前記ロータの回転軸方向における前記プレートの厚さは、前記第１の突部の長さよりも短い構成は好ましい。また上記の発明において、前記第２の突部の端面と前記ハウジングとの間には隙間が存在する構成は好ましい。

本発明によれば、コスト増を招かずにステータとフロントハウジングを安定した位置関係にできる。

実施形態のリニアアクチュエータの斜視図である。 実施形態のリニアアクチュエータの分解斜視図である。 実施形態のリニアアクチュエータの断面図である。 実施形態におけるボビンの斜視図（Ａ）および（Ｂ）である。 実施形態におけるステータ構造体にフロントプレート装着した状態を示す斜視図（Ａ）と正面図（Ｂ）である。 実施形態のフロントハウジングの斜視図（Ａ）と正面図（Ｂ）である。 図３の一部を拡大した拡大断面図である。

（構成）
図１には、実施形態のリニアアクチュエータ１００が示されている。図２には、リニアアクチュエータ１００の斜視分解図が示されている。図３には、リニアアクチュエータ１００の断面図（軸に沿って切断した断面の図）が示されている。

リニアアクチュエータ１００は、軸方向に端面１１５ａを有するステータヨーク１１５と、ステータヨーク１１５の内側に配置され、コイル１１１が巻かれたボビン１１３（図４参照）と、ステータヨーク１１５の端面１１５ａに固定されたフロントプレート１２０と、フロントプレート１２０と結合したフロントハウジング１５０とを備え、ボビン１１３にはフロントプレート１２０に設けられた孔１２１（図２，図５（Ａ）参照）に挿入されるボス部１４が設けられ、フロントハウジング１５０にはフロントプレート１２０に設けられた孔１２３に挿入されるボス部１５２（図６参照）が設けられ、ボス部１５２の先端がステータヨーク１１５の端面１１５ａに接触している構造を有する。

以下、リニアアクチュエータ１００について詳細に説明する。図２に示すように、リニアアクチュエータ１００は、ステータ構造体１１０、フロントプレート１２０、ロータ１３０、シャフト１４０、フロントハウジング１５０、先端部１４２を有している。

ステータ構造体１１０は、略円筒形状を有し、クローポール型のステッピングモータのステータ構造を有している。ステータ構造体１１０は、コイル１１１および１１２（図３参照）、ボビン１１３および１１４、電磁鋼板等の軟磁性金属材料で構成されたステータヨーク１１５，１１７およびステータヨーク１１６および１１８を備え、内部の隙間に樹脂１１９（図３，図５（Ａ）参照）が充填され一体化されている。ここで、ステータヨーク１１５と１１７が組となり第１のクローポール型モータのステータヨークを構成し、ステータヨーク１１６と１１８が組となり第２のクローポール型モータのステータヨークを構成する。一般にステータヨーク１１５と１１６が外ヨーク、ステータヨーク１１７と１１８が内ヨークと呼ばれる。

コイル１１１は、界磁コイルを構成し、樹脂製のボビン１１３（図４参照）に巻かれている。コイル１１１が巻かれたボビン１１３は、ステータ構造体１１０（ステータヨーク１１５）の内側に収納されている。ボビン１１３は、樹脂を用いた射出成法により製造されており、円筒部１１（図４参照）、円筒部１１の軸方向両端の縁から径外側方向に延在したフランジ部１２，１３を備えている。

一方のフランジ部１２には、軸方向に突出する突状の部分である３つのボス部１４が設けられている。ボス部１４は、等角度間隔（１２０°毎）の位置に設けられている。ボス部１４は、射出成形法によりボビン１１３と同時にボビン１１３の一部として形成されている。ボビン１１３の上部には、端子ピン１２５（図３参照）を固定する穴１５が形成されている。穴１５に固定された端子ピン１２５（図３参照）にコイル１１１から引き出されたリード線が接続される。

ステータヨーク１１５は、外側円筒部、内側歯部、外側円筒部と内側歯部をつなぐ板状の平板リング部（この平板リング部の裏面がステータヨーク１１５の端面１１５ａである）を有している。上記外側円筒部と内側歯部の間にコイル１１１が巻かれたボビン１１３が収容されている。ステータヨーク１１５の内側歯部は、軸方向（エンドハウジング１７０の方向）に延在する複数の第１の歯１１５ｂ（図３，図５（Ａ）参照）を有している。

ステータヨーク１１７は、ステータヨーク１１５と組みとなる部材であり、板状の平板リング部、この平板リング部の内縁から軸方向に延在する複数の第２の歯１１７ｂ（図５（Ａ）参照：図３では見えていない）を備えている。図５（Ａ）に示すように、複数の第１の歯１１５ｂと複数の第２の歯１１７ｂは、互いに逆方向に延在し、且つ、互い違いに隙間を有した状態で噛合う位置関係とされている。この点は、通常のクローポール型のモータの場合と同じである。第１の歯１１５ｂと第２の歯１１７ｂの隙間は、ステータ構造体１１０の内部に充填された樹脂１１９により埋められている。

ボビン１１４も樹脂製であり、コイル１１２が巻かれている。ステータヨーク１１６と１１８は、ステータヨーク１１５の側と同様に、内周側において、複数の歯が互い違いに隙間を有した状態で噛合う位置関係の構造を有している。ステータヨーク１１６の歯とステータヨーク１１８の歯の間は、ステータ構造体１１０の内部に充填された樹脂１１９により埋められている。

ステータヨーク１１５の端面１１５ａには、ボビン１１３のボス部１４が挿入され貫通する３つの孔１１５ｃ（図３参照）が設けられ、この３つの孔１１５ｃにボス部１４が挿入されている。孔１１５ｃに挿入されたボス部１４の先端は、孔１１５ｃからフロントハウジング１５０の側に突出している。

図５（Ａ）および（Ｂ）には、ステータヨーク１１５（ステータ構造体１１０）にフロントプレート１２０を取りつけた状態が示されている。フロントプレート１２０は、金属製であり、ステータヨーク１１５に溶接により固定されている。

フロントプレート１２０は、平たい円環形状を有しステータヨーク１１５の端面１１５ａに接触する基部を備え、この基部にはステータヨーク１１５から軸方向に突出した３つのボス部１４が嵌る３つの孔１２１が設けられている。３か所のボス部１４が３か所の孔１２１に嵌ることで、ステータヨーク１１５に対するフロントプレート１２０の位置決めが行われている。

フロントプレート１２０は、先端に開口１２２ａのある固定用腕部１２２を３か所に備えている。固定用腕部１２２は、フロントプレート１２０とフロントハウジング１５０とを結合させる部材であり、フロントプレート１２０にフロントハウジング１５０を支持させる支持部として機能する。図１に示すように、固定用腕部１２２を変形させてフロントハウジング１５０の突起１５１に開口１２２ａ（図２参照）を係合させることで、フロントプレート１２０がフロントハウジング１５０に結合している。

図６にフロントハウジング１５０の斜視図（Ａ）と正面図（Ｂ）を示す。フロントハウジング１５０は、樹脂製であり、射出成形法によって形成されている。フロントハウジング１５０には、軸方向に突出する突状の部分である３つのボス部１５２が設けられている。ボス部１５２は、樹脂を用いた射出成形法により製造されるが、この製造時にボス部１５２もフロントハウジング１５２の一部として同時に形成される。

ボス部１５２は、フロントプレート１２０に設けられた孔１２３に挿入され、孔１２３の内側を通過している。孔１２３の底の部分はステータヨーク１１５の軸方向の端面１１５ａが露呈しており（図５（Ａ）参照）、ボス部１５２の先端がステータヨーク１１５の軸方向の端面１１５ａに接触する。この構造により、フロントハウジング１５０とステータ構造体１１０との軸方向における相対位置関係が決められている。なお、ボビン１１３に設けられたボス部１４の突出長は、その先端がフロントハウジング１５０と接触しない寸法に設定されている。この例では、孔１２１から先端が突出しない寸法にボス部１４のボビン１１３端面からの突出長が設定されている。

図２および図３に示すように、ステータ構造体１１０の内側には、ロータ１３０が回転可能な状態で保持されている。ロータ１３０は、内側円筒部材１３１、内側円筒部材１３１の外側に固定された円筒形状のロータマグネット１３２を備えている。ロータマグネット１３２は、周方向に沿って交互にＮＳＮＳ・・と着磁された永久磁石である。

ロータ１３０の軸中心部分（内側円筒部材の内側）には、内周に雌ねじ構造が形成された円筒形状の雌ねじ１３３が固定されている。雌ねじ１３３は、細長い円柱形状のシャフト１４０の外周に形成された雄ねじ構造１４１に噛合っている。

ロータ１３０を構成する内側円筒部材１３１は、玉軸受１３４，１３５により回転自在な状態で保持されている。より詳細には、玉軸受１３４の外輪は、ステータヨーク１１６に固定されたエンドハウジング１７０に固定されており、玉軸受１３４の内輪は、ロータ１３０を構成する内側円筒部材１３１に固定されている（玉軸受１３４の外輪は、エンドハウジング１７０に接触しているが、ロータ１３０には接触していない）。玉軸受１３５の外輪は、フロントハウジング１５０に固定されており、玉軸受１３５の内輪は、ロータ１３０を構成する内側円筒部材１３１に固定されている（玉軸受１３５の外輪は、フロントハウジング１５０に接触しているが、ロータ１３０には接触していない）。すなわち、ロータ１３０は、エンドハウジング１７０とフロントハウジング１５０に玉軸受１３４，１３５により回転自在な状態で保持されている。

出力軸となるシャフト１４０は、先端に先端部１４２がピン１４４によって固定されている。シャフト１４０には、回り止め部材１４３が固定されている。フロントハウジング１５０には、シャフト１４０および回り止め部材１４３が収まる柱形状の空間である柱状空間１５３が設けられている。柱状空間１５３は、軸方向に垂直な断面の形状が、上側曲面、下側曲面、上側曲面と下側曲面をつなぐ２つの平面で構成されており、この形状に合うように、回り止め部材１４３の断面形状が設定されている。

柱状空間１５３の断面を上記形状とし、また回り止め部材１４３をそれに合わせた形状とすることで、回り止め部材１４３は、柱状空間１５３の内部を回転できない状態で軸方向に摺動可能とされている。フロントハウジング１５０からは、柱状空間１５３の一部を構成する円筒部１５６が延在しており、円筒部１５６の先端には内側フランジ部１５４が形成されている。そして、内側フランジ部１５４の中心から出力軸であるシャフト１４０が外部に突出している。柱状空間１５３の一端側（図３の左側）は、内側フランジ部１５４で定義され、他端側（図３の右側）は、玉軸受１３５が収容される軸受収容空間１３５aで定義されている。軸受収容空間１３５aには、フロントハウジング１５０に形成された溝１５５が形成されている。この溝１５５は、玉軸受１３５の内輪の端面（図３の左側）が、フロントハウジング１５０に接触しないように、フロントハウジング１５０に形成されている。先端部１４２の外側方向（図３の左方向）への稼働範囲は、回り止め部材１４３が柱状空間１５３の内側フランジ部１５４に当たる事で決まり、内側方向（図３の右方向）への可動範囲は、先端部１４２が柱状空間１５３の内側フランジ部１５４に当たる事で決まる。

（動作）
コイル１１１と１１２に電流を流すと、ステータヨーク１１５とステータヨーク１１７の歯の間、すなわち図５（Ａ）における複数の第１の歯１１５ｂと複数の第２の歯１１７ｂの間に周方向の成分を有する磁界が発生する。また、同様にステータヨーク１１６とステータヨーク１１８の歯の間に周方向の成分を有する磁界が発生する。そして上記の駆動電流の正負を特定のタイミングで切り替えると上記の磁界の向きが周期的に切り替わり、ロータマグネット１３２を回転させる駆動力が発生する。

上記の駆動力によりロータ１３０と雌ねじ１３３が一体となって回転する。ここで、シャフト１４０は回り止め部材１４３によって回転できず、他方で軸方向には移動可能であるので、雌ねじ１３３が回転することで、雌ねじ１３３と噛み合った雄ねじ構造１４１を有するシャフト１４０は、軸方向に進退する。シャフト１４０の移動方向は、ロータ１３０の回転方向によって決まる。シャフト１４０が軸方向に動くことで、先端部１４２が軸方向に動く。

（優位性）
図７（Ａ）には、ボス部１５２の部分を拡大した拡大図が示されている。図７（Ｂ）には、ボス部１４の部分を拡大した拡大図が示されている。ボス部１４は、射出成形法によって製造されるボビン１１３の一部であり、その突出長はコストをかけずに精度良く管理できる。また、ボス部１５２も射出成形法によって製造されるフロントハウジング１５０の一部であり、その突出長はコストをかけずに精度良く管理できる。

図７（Ａ）に示すように、フロントハウジング１５０のボス部１５２は、フロントプレート１２０の孔１２３を介してステータヨーク１１５の端面１１５ａと接触している。他方で、図７（Ｂ）に示すように、ボビン１１３のボス部１４は、フロントプレート１２０の孔１２１に挿入されるがフロントハウジング１５０には接触していない。

本実施形態の構造では、ボス部１５２がステータヨーク１１５に接触することで、ステータ構造体１１０とフロントハウジング１５０の位置関係が決められている。ここで、ボス部１４はフロントハウジング１５０に接触しないので、ボス部１５２の突出長によって、ステータ構造体１１０とフロントハウジング１５０の位置関係が決まる。そして、上述したように、ボス部１４とボス部１５２の突出長は、コスト増を招かずに精度よく管理できる。したがって、本実施形態の構造では、コスト増を招かずにステータ構造体１１０とフロントハウジング１５０の位置関係を精度よく管理できる。

また、ボス部１５２の突出寸法を調整することで、ボス部１５２の周囲におけるフロントハウジング１５０とステータヨーク１１５の端面１１５ａとの間の距離Ｔ（フロントプレート１２０が入り込むクリアランス）は、フロントプレート１２０の厚みｔより大きな値に設定されている。フロントプレート１２０は、ステータヨーク１１５の端面１１５ａに抵抗溶接により固定される。ここで、フロントプレート１２０とステータヨーク１１５の端面１１５ａの平坦性が完全でない等に起因して、溶接用電流の流れる経路に不確定性が生じ、フロントプレート１２０がステータヨーク１１５の端面１１５ａから少し浮いた状態になる場合がある。

この浮きの状態には、バラツキがあるが、ボス部１５２の突出長（高さ）を調整し、上記のクリアランスを確保することで、溶接に起因するフロントプレート１２０のステータヨーク１１５の端面１１５ａからの浮きが許容され、この浮きに起因する不良の発生が抑制される。

また図７（Ａ）に示すように、フロントハウジング１５０は、ボス部１５２でステータヨーク１１５と接触し、他の部分で玉軸受１３５の外輪の端面（図３における左側）と接触する。ボス部１５２の突出長は、精度良く形成できるため、上記の接触部分を介してフロントハウジング１５０から玉軸受１３５、更に玉軸受１３５からロータ１３０に加わる軸方向の力が、製品毎に（製品のロット間で）ばらつくことを抑制することができる。結果として、出力軸（シャフト１４０）の可動範囲が製品毎に（製品のロット間で）ばらつくことを抑制することができる。

（その他）
ボス部１４およびボス部１５２の数、更にこれらボス部に対応する孔の数は、３つに限定されず、４以上であってもよい。また、ボス部１４とボス部１５２の数は、同じでなくてもよい。

１１…円筒部、１２…フランジ部、１３…フランジ部、１４…ボス部、１５…穴、１００…リニアアクチュエータ、１１０…ステータ構造体、１１１…コイル、１１２…コイル、１１３…ボビン、１１４…ボビン、１１５…ステータヨーク、１１５ａ…端面、１１５ｂ…ステータヨーク１１５の歯、１１６…ステータヨーク、１１７…ステータヨーク、１１７ｂ…ステータヨーク１１７の歯、１１８…ステータヨーク、１１９…充填された樹脂、１２０…フロントプレート、１２１…孔、１２２…固定用腕部、１２３…孔、１２５…端子ピン、１３０…ロータ、１３１…内側円筒部材、１３２…ロータマグネット、１３３…雌ねじ、１３４…玉軸受、１３５…玉軸受、１３５a…軸受収容空間、１４０…シャフト、１４１…雄ねじ構造、１４２…先端部、１４３…回り止め部材、１４４…ピン、１５０…フロントハウジング、１５１…突起、１５２…ボス部、１５３…柱状空間、１５４…内側ハウジング部、１５５…溝、１７０…エンドハウジング。

Claims (7)

1. 軸方向に端面を有するステータヨークと、
   前記ステータヨークの内側に配置され、コイルが巻かれたボビンと、
   前記ステータヨークの前記端面に固定されたフロントプレートと、
   前記フロントプレートと結合したフロントハウジングと
   を備え、
   前記フロントハウジングには前記フロントプレートに設けられた第１の孔を通過する第１の突部が設けられ、
   前記ボビンには前記フロントプレートに設けられた第２の孔に挿入される第２の突部が設けられ、
   前記第１の突部の先端が前記ステータヨークの前記端面に接触しているリニアアクチュエータ。
2. 前記第２の突部によって前記ステータヨークに対する前記フロントプレートの位置決めが行われており、
   前記フロントプレートは金属製で前記ステータヨークに溶接により固定されており、
   前記フロントプレートは、前記フロントハウジングに係合する腕部を備えている請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
3. 前記第１の突部の周囲における前記フロントハウジングと前記ステータヨークの前記端面との間の距離は、前記フロントプレートの厚みより大きい請求項１もしくは２に記載のリニアアクチュエータ。
4. シャフトと接続されたロータと、
   前記ロータの周囲に配置されたステータと、
   前記ロータを回転可能に支持する軸受と、
   前記軸受と接触し、前記軸受を収容する軸受収容空間と、前記ステータの端面と接触する第１の突部とを有するハウジングと、
   前記ステータの端面に接触する基部と、前記ハウジングを支持する支持部とを有し、前記基部に形成され前記第１の突部が通過する第１の孔を有するプレートとを有するリニアアクチュエータ。
5. 前記ステータは、コイルが巻かれ第２の突部を有するボビンと、前記ステータの前記端面に形成され前記第２の突部が通過する貫通孔とを備え、
   前記プレートの前記基部には、前記第２の突部が内側に配置される第２の孔が形成されている請求項４に記載のリニアアクチュエータ。
6. 前記ロータの回転軸方向における前記プレートの厚さは、前記第１の突部の長さよりも短い請求項４もしくは５に記載のリニアアクチュエータ。
7. 前記第２の突部の端面と前記ハウジングとの間には隙間が存在する請求項５もしくは６に記載のリニアアクチュエータ。
   
   

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