JP7356985B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、モータ軸を有する電気モータと、モータ軸に接続されたトランスミッションと、トランスミッションに接続されたスピンドルユニットと、を含むリニアアクチュエータに関する。当該リニアアクチュエータにおいて、スピンドルユニットは、少なくとも１つのスピンドルとスピンドルナットとを含み、スピンドルは、ベアリングと、スピンドルユニットに接続された調節要素と、ばねを含むブレーキと、電気モータへの電力供給が遮断されたときに、調節要素を所与の位置に保持する円筒形要素と、を備える。

リニアアクチュエータは、一般的に、電気モータへの電力供給が遮断されたときに、同じく最大負荷を受けている作動要素を所望の位置に保持できるようにセルフロック式（self-locking）であることが望ましい。この点に関し、リニアアクチュエータ全般は、セルフロック式のスピンドルを備えるものと、非セルフロック式のスピンドルを備えるものとに分類することができる。スピンドルがセルフロック式であるか否かは、主に、ねじピッチによって決まる。スピンドルの摩擦係数と比較して、ねじピッチの方が小さいスピンドルは、セルフロック機能を備え、ねじピッチの方が大きいスピンドルは、セルフロック機能を備えない。ただし、摩擦は、材料、材料の加工、潤滑剤、温度、及び、振動などの動的な影響を含む様々な条件によって変動するものであり、明確でない。加えて、静止摩擦と動摩擦の相違もあり、静止摩擦の方が動摩擦よりも大きい。

セルフロック式のスピンドルよりも非セルフロック式のスピンドルの方が好まれるが、その理由は複数ある。理由の１つには、非セルフロック式スピンドルの方がセルフロック式スピンドルに比べて高効率、つまり、セルフロック式スピンドルに比べて、操作に要するエネルギーが少なくて済むことが挙げられる。他の理由として、非セルフロック式スピンドルは、ねじピッチが大きいので、セルフロック式スピンドルに比べて、より迅速に調節可能であることが挙げられる。一方、リニアアクチュエータについては、モータへの電源が遮断されたときに、作動要素をその時点での到達位置に保持する必要があるので、一般的にセルフロック式とすることが好ましいことを考慮する必要がある。この結果、セルフロック機能を発揮するのにぎりぎりのねじピッチを有するスピンドルが選択されることが多い。

ボールねじなど、明らかにセルフロック式であるスピンドルを備えるアクチュエータには、「パーキングブレーキ（parking brake）」が用いられる。このブレーキは、電気モータへの電源供給が遮断されると、スピンドルの回転を抑止し、よって、電気モータの電源遮断時における到達位置に作動要素を保持するものである。「パーキングブレーキ」は、例えば、電磁ブレーキ、又は、両端を作動させるコイルばねで構成することができる。電磁ブレーキは、電磁石により作動されるブレーキディスクを備える。コイルばねで構成される「パーキングブレーキ」は、その外側を周壁に圧着させることで締め付けを行う。また、ばねで囲まれた中空部には、噛み合いクラッチが設けられており、ばねの２つの屈曲端部がそれぞれ噛み合いクラッチの一部に係合している。モータを始動させると、ばねの一端又は他端を噛み合いクラッチで引っ張って伸長させることで、バネの直径が小さくなる。これにより、ばねと周壁との係合が解除される。このばねは、クラッチばねとして機能しており、ブレーキとして機能するものではない。このような「パーキングブレーキ」は、例えば、ＬＩＮＡＫ Ａ／ＳのＷＯ２００５／０７９１３４号公報に開示されている。このようなブレーキは、効果的ではあるが、比較的高価である上に、比較的大きな空間を占める構成であり、アクチュエータの組み込み長さの増大につながる。パーキングブレーキの他にも、セルフロック式に近いねじピッチのスピンドルの場合に一般的に用いられる種類のブレーキには、コイルばねで連結された２つの円筒形要素を含むものがある。２つの円筒形要素の間にはニードルベアリングが配置されており、一方の円筒形要素の自由端と固定部分との間には摩擦板が配置されている。スピンドルを一方の方向に回転させると、２つの円筒形要素が互いに離間するので、スピンドルは自由に回転可能になる。スピンドルを反対の方向に回転させると、２つの円筒形要素が連結されて摩擦板に作用し、スピンドルを停止させる。このばねも、２つの円筒形要素を係合させ、また、離間させるものであり、クラッチばねとして機能している。このようなブレーキは、例えば、椿本チエインのＵＳ５，９１０，９２号公報に開示されている。なお、この種のブレーキは、もともとは、米国のＷａｒｎｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社により開発され、市場に導入されたものである。このようなの構成ブレーキは十分に有用であるが、構成部品の数が比較的多く、コストが比較的高く、多くの空間を必要とする。より簡単な別の構成のブレーキとして、スピンドル端部、又は、トランスミッションにおける歯車の円筒形要素の周囲にコイルばねを配置しただけのものも公知である。スピンドルを一方の方向に回転させると、ばねが緩んで円筒形要素から離間するので、スピンドルは自由に回転になる。これは、ばねの巻き方向が、回転によってばねの巻きが円筒形要素から解けて、ばねの直径が拡大するように配向されていることによる。スピンドルを反対方向に回転させると、ばねは、より緊密に円筒形要素に巻き付いて制動力を発揮するので、モータへの電源供給の遮断時に、スピンドルを静止状態に保持することができる。この制動力は、作動要素を初期位置に向けて戻す際には、モータによって解除可能な大きさに調整される。つまり、このブレーキは、作動要素が初期位置に向かって移動するだけで機能し、即ち、作動要素の戻り速度を低下させるので、このブレーキは、モータへの電力供給の遮断時に、スピンドルの停止を能動的に補助する構成である。上述のブレーキとは異なり、この構成では、ばねが実際にブレーキとして機能するものであり、つまり、ばね自体が、制動力を発揮するものである。このブレーキは、ＬＩＮＡＫ Ａ／Ｓにより開発及び導入されたものであり、ＬＩＮＡＫ Ａ／ＳのＥＰ０６６２５７３号公報に開示されている。このブレーキは、効果的であり、また、非常に安価であるので、幅広く利用されている。しかしながら、摩擦力が明確ではなく、様々な条件のうちでも特に潤滑状態及び温度に依存するため、制動力を決定することは困難である。また、ドイツのＯＫＩＮにより、円形の断面を有するばねブレーキが開示されている。この構成では、隣接する巻き線部の間の隙間が潤滑剤の蓄積部として機能する。反対側におけるばねの接触面は、断面形状が方形で接触面が平坦なばねとは異なり、線形である。加えて、このばねは、従来、プラスチック製のウォーム歯車における円筒状の突出エッジに配置されるものであり、ばねがプラスチックに食い込んでしまう傾向がある。このことも、制動力の特定を困難する要因となっている。また、アクチュエータの動作中、ウォームギアには熱が発生する。加えて、完全停止させるまでの制動中、また、戻り動作中には、ばねとウォーム歯車の円筒形要素との間に摩擦熱も発生する。この熱は、ウォーム歯車の寸法安定性に悪影響を与え、時間の経過とともに、ばねが円筒形要素に食い込みやすくなる。この課題は、例えば、ウォーム歯車の円筒形要素の周りに金属製のブッシュ（bushing）を配置して、この金属製ブッシュにばねが接触し、ウォーム歯車には直接接触しない構成とすることで、解決することができる。しかしながら、この技術では、ウォーム歯車の発熱の問題を解決することはできず、加えて、ブッシュが回転する際にばねを擦ることで発生するノイズについても解決することはできない。

本発明は、後者の構成のブレーキを出発点としており、同様に簡易な構成でありながら、上述した課題の少なくともいくつかを回避することができる別のブレーキ構成を提供することを目的とする。

上記目的は、本発明の請求項１に記載したリニアアクチュエータを構成することにより、達成することができる。円筒形要素は、雄ねじ部を有し、当該雄ねじ部には、ナットが嵌められている。ばねは、ナットの一端側と、円筒形要素に設けられたストッパとの間において、当該円筒形要素周りに配置されている。これにより、ばねがナットを押圧して、当該ナットの他端側を接触面に圧接させる。この構成により、ナットの一端側が接触面を擦ることで、制動力が生成される。したがって、生成される制動力は、ばねの力に依存して決まる。ばねの力が大きいほど、制動力も大きくなる。加えて、制動力は、ナットと接触面との間の摩擦にも依存する。即ち、摩擦が大きければ、それにより生じる制動力も大きくなる。最終的には、ねじピッチも、制動力に重要である。ねじピッチが小さければ、制動力も大きくなる。円筒形要素がねじピッチで一方向に回転すると、ナットと接触面との間の摩擦により、ナットがねじ戻りを起こして接触面から離れれようとする。一方、円筒形要素がねじピッチで逆方向に回転すると、ナットのねじが締って接触面に近づく傾向がみられ、よって、制動力が増加する。

一実施形態では、上記ばねは、円筒形であり、よって、円筒形要素のねじに対して簡単に押し込むことができる。ここでは、ばねの力が決定要因となる。ただし、接触面と筒形要素の周りのばねの張力が極めて重要であるＥＰ０ ６６２ ５７３号公報によるばねブレーキの場合とは異なり、ばねワイヤの精度について特別な要件はない。

代替的な実施形態において、上記ばねは、ねじりばねであり、その一端は、ナット内に保持され、他端は、円筒形要素に保持される。ナットにおけるばね端部は、長穴にて好適に保持され、円筒形要素におけるばね端部は、長溝にて好適に保持される。

上述したように、ブレーキは、アクチュエータの円筒形要素に配置することが可能であり、一実施形態においては、スピンドルの軸後端に配置される。つまり、スピンドルユニットは、アクチュエータに設置可能な状態のブレーキを有するユニットとして構成することができる。

別の実施形態では、ブレーキは、モータ軸に配置される。この構成は、ブレーキに作用するトルクがあまり大きくない場合に有利である。

ブレーキの円筒形要素は、回転要素（rotating element）によって構成することができ、その周りにブレーキを配置することができる。一実施形態では、円筒形要素は、回転要素に配置される別個の要素として構成される。したがって、ねじ切りされた円筒形要素を、より精密に製造することができ、場合によっては、適切なプラスチック材料を成形した部品として形成することができる。

ブレーキのナットと協働する接触面は、別個の要素により構成することも可能であるが、例えば、ハウジングの側面など、アクチュエータが既に備えている表面を利用することが好ましい。

以下に、本発明によるリニアアクチュエータについて、添付図面を参照して、より詳細に説明する。

２つの部分から成るハウジングを備えるリニアアクチュエータを、ハウジングの一方の部分を取り外した状態で示す図である。 アクチュエータのブレーキの詳細部分を示す図である。 図２の詳細部分の縦断面を示す図である。 図２に示す部分の斜視図である。

図１は、２つの部分から成るプラスチック製のハウジング１を有するアクチュエータを示しており、可逆電気モータ２が備えられている。この電気モータは、ウォームギア３を介して、スピンドル４とスピンドルナット５を駆動する。スピンドルナットには、作動ロッド６（内管としても知られる）が、この作動ロッド６を案内する外管７に覆われた状態にて固定されている。スピンドル４の一端は、ベアリング８とともにハウジングの内部に埋め込まれている。本アクチュエータは、ハウジング１の後端に設けられた後方取付け部９、及び、作動ロッド６の自由端に設けられた前方取付け部１０によって、構造体に取り付けられている。

スピンドル４の軸４ａには、ブレーキ機構１１が設けられている。この詳細は、図２、図３及び図４を参照して説明する。雄ねじ部１２ａを有する円筒形要素１２が、スピンドル４に対して回転不能に固定されるブッシュとして、スピンドル４の軸端部４ａに取り付けられている。雄ねじ部１２ａには、ナット１３が被せられている。円筒形要素１２の前端には、リング状のストッパ１４が固定されている。このストッパ１４とナット１３の前面との間には、ナット１３に圧縮力を加えるコイル又はコイルばね１５が配置されている。円筒形要素１２とナット１３のねじは、セルフロック機能を有していないので、ナット１３が後方にねじ戻りして接触面１６に接触することになる。この例では、接触面１６は、スピンドル４のベアリング８用の座部（seat）として機能するリング形状部１９の一方の面である。スピンドル４の最後端には、アクチュエータのトランスミッションの出力段を相互接続するためのクラッチ部１８が設けられている。図面に示されているように、ベアリング８は、リング形状部１９とクラッチ部１８に埋め込まれている。

Claims (6)

1. モータ軸を有する電気モータ（２）と、
   前記モータ軸に接続されたトランスミッション（３）と、
   前記トランスミッションに接続されており、少なくとも１つのスピンドル（４）及びスピンドルナット（５）を含むとともに、当該スピンドル（４）にベアリング（８）が設けられたスピンドルユニットと、
   前記スピンドルナット（５）に接続された調節要素（６）と、
   前記電気モータ（２）への電力供給が遮断されたときに、前記調節要素（６）を所与の位置に保持するためのブレーキ（１１）と、
   を含むリニアアクチュエータにおいて、
   前記ブレーキ（１１）は、ばね（１５）と、制動用のナット（１３）と、円筒形要素（１２）と、を含んでおり、
   前記円筒形要素（１２）は、雄ねじ部（１２ａ）を有するとともに、前記スピンドル（４）の軸端部（４ａ）の周りにおいて、当該スピンドル（４）に対して回転不能に固定されており、当該雄ねじ部（１２ａ）の外周には、前記ナット（１３）が嵌められており、前記ばね（１５）は、前記ナット（１３）の一端側と、前記円筒形要素（１２）に設けられたストッパ（１４）との間において、前記円筒形要素（１２）の周りに配置されており、これにより、前記ばね（１５）が前記ナット（１３）を押圧して、当該ナットの他端側を固定された接触面（１６）に圧接させることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記ばね（１５）は、コイルばねであることを特徴とする、請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
3. 前記ばね（１５）は、ねじりばねであることを特徴とする、請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
4. 前記ブレーキ（１１）は、前記スピンドル（４）の軸後端に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
5. 前記円筒形要素（１２）は、別個の要素として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
6. ハウジング（１）をさらに備えており、前記接触面（１６）は、前記ハウジング（１）又はベアリング用座部（１９）の側面で構成されることを特徴とする、請求項１に記載のリニアアクチュエータ。

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