JP7358282B2 - リニア駆動装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、リニア駆動装置に関する。

一般に、モータによる回転力により、軸を直線運動させるリニア駆動装置が知られている。例えば、アメリカン・ワインディング・ストップ機構を用いて、可動軸の直線移動ストロークを規制するリニア駆動装置が開示されている（特許文献１参照）。

特許第４１３６３３３号公報

しかしながら、リニア駆動装置において、軸の直線動作を制限する構造を設ける場合、軸が制限された状態から通常の直線動作に復帰させることについては充分に考慮されない。

本発明の実施形態の目的は、軸の直線動作を制限し、軸が制限された状態から通常の直線動作に復帰させ易いリニア駆動装置を提供することにある。

本発明の実施形態によれば、軸の直線動作を制限し、軸が制限された状態から通常の直線動作に復帰させ易いリニア駆動装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るリニア駆動装置は、モータと、前記モータのロータの回転力により回転し、前記ロータの回転中心部分を貫通し、前記ロータに対してスラスト方向に動作する軸と、前記軸を中心部分に固定した板形状のフランジと、前記フランジの表面又は裏面の少なくとも一方に設けられた第１ストッパと、前記第１ストッパと接触して、前記軸の所定範囲の最上点又は最下点を超える動作を制限する第２ストッパとを備え、前記第１ストッパ又は前記第２ストッパの少なくとも一方は、他方と斜面で接触することを備える。

本発明の第１実施形態に係るリニア駆動装置の構成を垂直方向に切断した断面図。 第１実施形態に係る軸の構成を示す斜視図。 第１実施形態に係る軸動作制限部を水平方向に切断した断面図。 第１実施形態に係るフランジの裏面を示す平面図。 本発明の第２実施形態に係るリニア駆動装置の構成を垂直方向に切断した断面図。 第２実施形態に係るフランジの裏面を示す平面図。 本発明の第３実施形態に係るリニア駆動装置の構成を垂直方向に切断した断面図。 第３実施形態に係るフランジの裏面を示す平面図。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るリニア駆動装置１０の構成を垂直方向に切断した断面図である。図２は、本実施形態に係る軸１の構成を示す斜視図である。図面において、同一部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。
リニア駆動装置１０は、軸１、ロータ２、コイル３、ヨーク４、取付板５、ナット６、２つの軸受７，８、及び、軸動作制限部２０を備える。なお、図３に示すように、リニア駆動装置１０は、電源の供給又は電気信号の送受信等のための配線を電気接続するコネクタ部９を備えてもよい。ここでは、軸動作制限部２０側を上とし、ナット６側を下として、説明する。

軸１は、スラスト方向に動作することにより、下側の先端に設けられたボール１１で、リニア駆動装置１０の操作対象物を押圧する。軸１は、上側部分１ａ及び下側部分１ｂが一体に結合された形状である。軸１は、リニア駆動装置１０の全体を垂直方向に貫いてはみ出る長さの棒形状である。上側部分１ａの断面は、円形の両端をそれぞれＤカットしたような小判形状である。下側部分１ｂの断面は、円形である。下側部分１ｂの先端にボール１１が設けられる。下側部分１ｂの先端部分の側面には、雄ねじ１２が形成される。下側部分１ｂの側面の全てに、雄ねじ１２が形成されてもよい。

ロータ２、コイル３、及び、ヨーク４は、モータを構成する。ヨーク４の内部には、ロータ２の外周面に対向するように複数のコイル３が配置される。コイル３を通電することで、ロータ２が回転し、軸１に回転力を加える。例えば、モータは、クローポール型ＰＭ(permanent magnet)モータである。

ロータ２の外周面には、コイル３と対向するように、マグネットが設けられる。ロータ２は、円柱形状の回転中心部分に、軸１が貫通する穴が設けられる。ロータ２の上側に設けられる穴は、軸１の上側部分１ａがスラスト方向に移動でき、かつ、ロータ２の回転力を軸１に伝えられるように、軸１の上側部分１ａの断面よりも一回り大きい小判形状に形成される。ロータ２の下側に設けられる穴は、軸１の下側部分１ｂがスラスト方向に移動できるように、軸１の下側部分１ｂの断面よりも一回り大きい円形に形成される。

取付板５は、板形状であり、ヨーク４の下面に取り付けられる。取付板５の中心部分には、軸１が貫通する穴及びナット６を取り付けるための穴が設けられる。取付板５は、外周から径方向に延びるように、リニア駆動装置１０を他の機器に実装するための形状が設けられてもよい。

ナット６は、取付板５を介して、ヨーク４の下面に取り付けられる。ナット６は、中心に貫通した穴が設けられた円柱形状であり、下面の外周はテーパー形状である。ナット６の穴の下側部分の内周面には、軸１の下側先端部分に設けられた雄ねじ１２と噛み合うように雌ねじ６１が形成される。ナット６の穴の上側部分は、空間が形成されるように、下側部分よりも径が広い。ナット６の上側部分に形成される空間に、軸受７が設けられる。

軸受７，８は、軸１のラジアル方向の変動を抑制する軸受である。なお、軸受７，８は、どのような構成でもよい。

軸動作制限部２０は、軸１が予め決められた所定範囲を超えてスラスト方向に動作しないように制限する機構を備える。軸動作制限部２０は、軸１が作用する側（ボール１１側）と反対側に設けられる。

軸動作制限部２０は、ケース２１、カバー２２、フランジ２３、及び、ストッパ２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを備える。なお、図１では、説明の便宜上、各ストッパ２４ａ～２５ｂを１つずつ示している。

図３は、第１実施形態に係る軸動作制限部２０を水平方向に切断した断面図であり、ケース２１の底面を示す。図４は、第１実施形態に係るフランジ２３の裏面を示す平面図である。

ケース２１は、軸動作制限部２０の側面及び底面を覆う。ケース２１は、ヨーク４の上面に取り付けられる。ケース２１は、円筒形状で、軸１がスラスト方向に動作するように貫通する穴Ｈ１が中心部分に設けられた底面で塞がれる。ケース２１の底面には、複数のストッパ２５ａが、穴Ｈ１の外周を囲むように周方向に並べて設けられる。ケース２１の上面の外周部分には、カバー２２を嵌め込むための溝等の形状が設けられる。ケース２１には、軸受８などを取り付けるための穴又は形状が設けられてもよい。

カバー２２は、ケース２１の上面を塞ぐように取り付けられる。カバー２２は、円板形状であり、軸１がスラスト方向に動作するように貫通する穴が中心部分に設けられる。カバー２２の裏面には、複数のストッパ２５ｂが、ケース２１の底面と同様に、軸１が貫通する穴の外周を囲むように周方向に並べて設けられる。カバー２２は、ケース２１と一体に形成されてもよいし、ケース２１の底面を塞ぐように取り付けられる構成でもよい。

フランジ２３は、円板形状であり、軸１が貫通する穴Ｈ２が中心部分に設けられる。なお、フランジ２３は、板状であれば、外形は円形に限らず、どのような形状でもよい。フランジ２３は、軸１に固定して取り付けられる。フランジ２３の裏面には、複数のストッパ２４ａが、ケース２１の底面に設けられた複数のストッパ２５ａとそれぞれ対応して、穴Ｈ２の外周を囲むように周方向に並べて設けられる。同様に、フランジ２３の上面には、複数のストッパ２４ｂが、カバー２２の裏面に設けられた複数のストッパ２５ｂとそれぞれ対応し、穴Ｈ２の外周を囲むように周方向に並べて設けられる。

以降では、フランジ２３の下面に設けられたストッパ２４ａとケース２１の底面に設けられたストッパ２５ａとの構成について主に説明し、フランジ２３の上面に設けられたストッパ２４ｂとカバー２２の裏面（内側）に設けられたストッパ２５ｂとの構成については、それぞれ同様であるものとして、説明を適宜省略する。また、一組のストッパ２４ａ，２５ａについて主に説明し、他のストッパ２４ａ，２５ａも同様に構成されているものとして、説明を適宜省略する。

ストッパ２４ａの表面（水平断面）は、台形の上底と下底に相当する辺が弧であるような形状であり、長さの短い弧が内周側に位置した形状である。全てのストッパ２４ａの上底と下底に相当する２つの弧をそれぞれ繋げると、２つの同心円が描かれるように、ストッパ２４ａが配置される。これらの同心円の中心に、軸１が貫通する穴Ｈ２が位置する。ストッパ２５ａの形状及び配置についても同様である。

ストッパ２４ａを、フランジ２３の径方向と垂直で、水平と垂直に切断した断面は、図１に示すように、位置Ｐ２が最も高い頂点（図１では最も下にある点）で、位置Ｐ１が最も低い頂点（図１では最も上にある点）とした直角三角形になる。位置Ｐ１は、フランジ２３のストッパ２４ａが設けられていない裏面と同じ高さである。即ち、ストッパ２４ａの表面は、位置Ｐ１から位置Ｐ２に向けて高くなる傾斜が付けられた斜面に形成される。

ストッパ２５ａを、ケース２１の底面の径方向と垂直で、水平と垂直に切断した断面は、図１に示すように、位置Ｐ４が最も高い頂点で、位置Ｐ３が最も低い頂点とした直角三角形になる。位置Ｐ３は、ケース２１の底面のストッパ２５ａが設けられていない部分と同じ高さである。即ち、ストッパ２５ａの表面は、位置Ｐ３から位置Ｐ４に向けて高くなる傾斜が付けられた斜面に形成される。このストッパ２５ａの傾斜は、ストッパ２４ａの傾斜と同じ角度である。

ここで、２つのストッパ２４ａ，２５ａは、軸１がスラスト方向の所定範囲の最下点に位置する状態で、互いの斜面同士が密着し、これ以上、軸１が下に動く方向にフランジ２３が回転できないようにする。また、軸１がスラスト方向の所定範囲の最下点に位置する前では、フランジ２３が回転しても、ストッパ２４ａの最も高い位置Ｐ２とストッパ２５ａの最も高い位置Ｐ４が接触しないようにする。具体的には、軸１がスラスト方向の所定範囲の最下点に位置する状態からフランジ２３の１回転前の状態で、２つのストッパ２４ａ，２５ａのそれぞれの最も高い位置Ｐ２，Ｐ４が接触せずに、フランジ２３が回転できればよい。

次に、ストッパ２４ａとストッパ２５ａによるストッパとしての役割について説明する。図１では、軸１の雄ねじ１２が右ねじ（右に回すと奥に進むねじ）に形成され、互いに対応するストッパ２４ａ，２５ａが軸１よりも手前に配置された構成を図示している。

軸１がスラスト方向の所定範囲の最下点に位置したときに、互いに対応するストッパ２４ａ，２５ａのそれぞれの斜面同士が合わさることで、フランジ２３の回転が停止する。

具体的には、ストッパ２４ａ，２５ａのそれぞれの斜面同士が接触した状態で、フランジ２３が回転し続けようとすると、ストッパ２４ａの最も高い位置Ｐ２とストッパ２５ａの最も高い位置Ｐ４が互いに近づく方向に動作しようとする。しかし、ストッパ２４ａの最も高い位置Ｐ２とストッパ２５ａの最も高い位置Ｐ４は、互いに乗り越えることはできない。さらに、フランジ２３が回転しようとすると、２つのストッパ２４ａ，２５ａの斜面同士の摩擦力が増加するため、フランジ２３が回転しなくなる。

これにより、フランジ２３が固定されている軸１の回転も停止するため、これ以上、軸１が下に動作しなくなる。

一方、軸１が最下点の位置で、２つのストッパ２４ａ，２５ａの斜面同士の摩擦力によりフランジ２３の回転が停止した状態から、軸１が上に動作するように、フランジ２３が逆回転し始めた場合について説明する。この場合、ストッパ２４ａの最も高い位置Ｐ２とストッパ２５ａの最も高い位置Ｐ４が互いに離れる方向に動作しようとする。このとき、２つのストッパ２４ａ，２５ａは、斜面同士で接触しているため、２つのストッパ２４ａ，２５ａの間の摩擦力は、フランジ２３の逆回転の開始と共に瞬時に激減する。

これにより、２つのストッパ２４ａ，２５ａにより軸１が最下点で停止している状態からでも、フランジ２３は容易に逆回転を開始することができ、軸１が速やかに上に動作することができる。

フランジ２３の下面に設けられたストッパ２４ａとケース２１の底面に設けられたストッパ２５ａは、軸１のスラスト方向の所定範囲の最下点でのストッパの役割を有するのに対し、フランジ２３の上面に設けられたストッパ２４ｂとカバー２２の裏面に設けられたストッパ２５ｂは、軸１のスラスト方向の所定範囲の最上点でのストッパの役割を有する。その他の点については、ストッパ２４ｂ，２５ｂは、ストッパ２４ａ，２５ａと同様である。

なお、軸１の最下点の制限が不要な場合は、下側で接触するストッパ２４ａ，２５ａを取り除いてもよい。また、軸１の最上点の制限が不要な場合は、上側で接触するストッパ２４ｂ，２５ｂを取り除いてもよい。

本実施形態によれば、互いの斜面同士が接触して、フランジ２３の回転を停止させるストッパ２４ａ～２５ｂを設けることで、軸１のスラスト方向の直線動作を所定範囲内に制限し、ストッパ２４ａ～２５ｂにより軸１が停止状態から通常の直線動作に復帰させ易くすることができる。

なお、本実施形態では、全てのストッパ２４ａ～２５ｂは、斜面同士で接触させたが、互いに接触する２４ａ～２５ｂのうち少なくとも一方の接触面が斜面であれば、他方の接触面が斜面でなくても、軸１が停止状態から通常の直線動作に復帰させ易くすることができる。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係るリニア駆動装置１０Ａの構成を垂直方向に切断した断面図である。図６は、第２実施形態に係るフランジ２３の裏面を示す平面図である。

リニア駆動装置１０Ａは、図１に示す第１実施形態に係るリニア駆動装置１０において、軸動作制限部２０を軸動作制限部２０Ａに代えたものである。軸動作制限部２０Ａは、第１実施形態に係る軸動作制限部２０のフランジ２３に設けられたストッパ２４ａ，２４ｂを、斜面に弾性体２６が取り付けられたストッパ２４ａＡ，２４ｂＡに代えたものである。その他の点については、リニア駆動装置１０Ａは、第１実施形態と同様である。

弾性体２６は、ストッパ２４ａＡ，２４ｂＡが対応するストッパ２５ａ，２５ｂと斜面同士で合わさる際に、互いの斜面の間に介在するように、ストッパ２４ａＡ，２４ｂＡの斜面に取り付けられる。弾性体２６は、潰れた後に膨らむように反発力を発生させる物質であれば、どのようなものでもよい。例えば、弾性体２６は、ゴム又はスポンジのように、材質又は形状で反発力を発生させる物質である。また、弾性体２６は、どのような形状でもよいが、どの方向から潰されても、一定の反発力を生み出す観点から球状が望ましい。

なお、弾性体２６は、カバー２２又はケース２１側のストッパ２５ａ，２５ｂに設けてもよい。この場合、フランジ２３側のストッパ２４ａＡ，２４ｂＡには、弾性体２６を設けてもよいし、設けなくてもよい。

本実施形態によれば、弾性体２６が取り付けられたストッパ２４ａＡ，２４ｂＡを設けることで、第１実施形態による作用効果に加え、弾性体２６の反発力により、ストッパ２４ａＡ～２５ｂによる軸１の停止状態から通常の直線動作に復帰させることが、第１実施形態よりも容易にすることができる。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態に係るリニア駆動装置１０Ｂの構成を垂直方向に切断した断面図である。図８は、第３実施形態に係るフランジ２３の裏面を示す平面図である。

リニア駆動装置１０Ｂは、図１に示す第１実施形態に係るリニア駆動装置１０において、軸動作制限部２０を軸動作制限部２０Ｂに代えたものである。軸動作制限部２０Ｂは、第１実施形態に係る軸動作制限部２０のフランジ２３に設けられたストッパ２４ａ，２４ｂをストッパ２４ａＢ，２４ｂＢに代えたものである。その他の点については、リニア駆動装置１０Ｂは、第１実施形態と同様である。

ストッパ２４ａＢ，２４ｂＢは、対応するストッパ２５ａ，２５ｂの斜面に接点が接触するように設けられた板ばねのような弾性体である。ストッパ２５ａ，２５ｂと密着して反発力を発生させるような弾性体であれば、ストッパ２４ａＢ，２４ｂＢは、どのような材質又は形状でもよい。

次に、ストッパ２４ａＢ，２４ｂＢの機能について説明する。
ストッパ２４ａＢ，２４ｂＢの接点がストッパ２５ａ，２５ｂに接触した後、さらにフランジ２３が回転すると、ストッパ２４ａＢ，２４ｂＢは、弾性力による位置エネルギーを蓄えながら、ストッパ２５ａ，２５ｂとより密着する。これにより、フランジ２３の回転が徐々に弱まる。その後、ストッパ２４ａＢ，２４ｂＢが十分に湾曲した状態で、ストッパ２５ａ，２５ｂと密着すると、フランジ２３の回転が停止する。このとき、軸１は、所定範囲の一端（最上点又は最下点）にある。

次に、軸１が反対方向に動作し始めると、ストッパ２４ａＢ，２４ｂＢは、ストッパ２５ａ，２５ｂから離れ始める。このとき、ストッパ２４ａＢ，２４ｂＢに蓄えられている弾性力による位置エネルギーにより反発力が働き、ストッパ２４ａＢ，２４ｂＢがストッパ２５ａ，２５ｂから離れ易い。

なお、フランジ２３側のストッパ２４ａＢ，２４ｂＢの代わりに、カバー２２又はケース２１側のストッパ２５ａ，２５ｂを板ばねのような弾性体に替えてもよい。

本実施形態によれば、板ばねのようなストッパ２４ａＢ，２４ｂＢを設けることで、第１実施形態による作用効果に加え、ストッパ２４ａＢ，２４ｂＢによる板ばねのような反発力により、ストッパ２４ａＢ～２５ｂによる軸１の停止状態から通常の直線動作に復帰させることが、第１実施形態よりも容易にすることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、構成要素を削除、付加又は変更等をしてもよい。このような実施形態が上述した実施形態と直接的に異なるものであっても、本発明と同様の趣旨のものは、本発明の実施形態として説明したものとして、その説明を省略している。

１…軸、２…ロータ、３…コイル、４…ヨーク、５…取付板、６…ナット、７，８…軸受、１０…リニア駆動装置、２０…軸動作制限部。

Claims (6)

1. モータと、
   前記モータのロータの回転力により回転し、前記ロータの回転中心部分を貫通し、前記ロータに対してスラスト方向に動作する軸と、
   前記軸を中心部分に固定した板形状のフランジと、
   前記フランジの表面又は裏面の少なくとも一方に設けられた第１ストッパと、
   前記第１ストッパと接触して、前記軸の所定範囲の最上点又は最下点を超える動作を制限する第２ストッパとを備え、
   前記第１ストッパ又は前記第２ストッパの少なくとも一方は、他方と斜面で接触すること
   を特徴とするリニア駆動装置。
2. 前記第１ストッパ及び前記第２ストッパは、それぞれ前記斜面を含み、互いの前記斜面が合わさるように接触すること
   を特徴とする請求項１に記載のリニア駆動装置。
3. 前記第１ストッパ又は前記第２ストッパの少なくとも一方は、前記斜面に設けられた弾性体を含むこと
   を特徴とする請求項１に記載のリニア駆動装置。
4. 前記弾性体は、球状であること
   を特徴とする請求項３に記載のリニア駆動装置。
5. 前記第１ストッパ又は前記第２ストッパの少なくとも一方は、板ばねのような弾性体を含み、弾性力による位置エネルギーを蓄えるように他方の前記斜面と接触すること
   を特徴とする請求項１に記載のリニア駆動装置。
6. 前記第１ストッパは、前記フランジの表面及び裏面のそれぞれに設けられ、
   前記第２ストッパは、前記第１ストッパのそれぞれに対応して設けられ、前記第１ストッパとそれぞれ接触して、前記軸の所定範囲の最上点又は最下点を超える動作をそれぞれ制限すること
   を特徴とする請求項１に記載のリニア駆動装置。

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