JPH08308205A - ステップモータ駆動式リニアアクチエータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】ロータの初期ストローク位置（物理的な起点）
を正確かつ容易に得ることができ、使用中のこの起点位
置の変動も小さいステップモータ駆動式リニアアクチエ
ータを提供する。 【構成】出力軸８がハウジング１、１０に回転不能、軸
方向変位自在に支承され、この出力軸８はステップモー
タのロータ３の内周に形成された雌ねじ部５に螺入され
ている。これにより、ロータ３のステップ駆動すなわち
累積パルス電圧数に比例するストローク量だけ出力軸８
が軸方向に進退する。ハウジング１の内端面１ｃの所定
位置にてストッパ１ａが軸方向に突出され、ロータ３の
端面の所定の回転角度位置にて被係止面５ａが周方向と
直角に形成され、ストッパ１ａの係止面とこの被係止面
５ａとがロータ３の所定の初期回転角度位置（起点角度
位置）にて当接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ステップモータの回転
を駆動力とするリニアアクチエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりステップモータの回転を駆動力
とするステップモータ駆動式リニアアクチエータが知ら
れている。このステップモータ駆動式リニアアクチエー
タによれば、ステップモータは入力（励磁相）に対する
出力（位置）が一対一で対応しているので、このステッ
プモータにねじ機構を組合せて回転運転を直線運転に変
換すれば、オープンループ制御で微小ストローク制御を
実現することができる。

【０００３】ただし、このステップモータ駆動式リニア
アクチエータでは、起点からのパルス数でストローク制
御を行うので、励磁相（初期励磁相）が物理的な起点に
一致していなければならない。例えば４相ステップモー
タの１相励磁駆動の場合、第４相励磁状態（本明細書で
いう初期励磁相）を電気的起点とし、その時のロータの
絶対角度を物理的な起点とする必要がある。こうするこ
とにより起点から始めて第１相励磁、第２相励磁と制御
を順次実施すれば所定の電気信号で所定のストロークを
実現することができる。これにより、ステータコイルに
印加されたパルス電圧累積値に対応してリニアアクチエ
ータの駆動軸先端の軸方向絶対位置（ハウジングに対す
る軸方向位置）を決定することができる。

【０００４】しかし、上述したようにパルス電圧累積値
に対応してリニアアクチエータの駆動軸先端の軸方向絶
対位置を決定するためには、ステータとロータとが初期
励磁相において安定姿勢となる位置にてロータの所定の
回転方向への回転を禁止するストッパ機構を設ける必要
がある。すなわち、ストッパ機構により決定される物理
的な起点が、ロータの電気的な初期励磁相（例えば１相
励磁４相ステップモータでは第４相）におけるロータの
安定角度位置（安定点）となる必要がある。

【０００５】従来のステップモータ駆動式リニアアクチ
エータにおけるこの種のストッパ機構として、実開昭６
２ー５７５８２号公報は、ロータに螺入されてロータの
回転により軸方向に進退するシャフト（出力軸）に径方
向へストッパピンを立設し、このストッパピンがロータ
の一端面に当接して物理的な起点を決定するストッパ機
構を提案している。

【０００６】しかしながら、上記した従来のステップモ
ータ駆動式リニアアクチエータにおけるストッパ機構
は、ストッパピンの軸方向の衝接により物理的な起点を
設定するので、これに対応するロータの初期絶対回転角
度位置（以下、起点角度ともいう）すなわちステータ及
びそれを支持するハウジングに対するロータの回転角度
位置）のブレが大きく、ロータの起点角度を精度良く決
定することが困難であるという問題を有している。例え
ば、この種のリニアアクチエータでは、１ステップ当た
り出力軸の数十μｍ以下の変位が通常であり、ストッパ
ピンの軸方向座標位置を数μｍ以下の精度で決定する必
要がある。

【０００７】この問題を改善するために、周方向と直角
の方向に延在する係止面をロータに設け、上記ストッパ
ピンと上記係止面との衝接により物理的な起点を決定す
るストッパ機構も考えられる。以下、このストッパ機構
を有するステップモータ駆動式リニアアクチエータを図
４及び図５を参照して説明する。

【０００８】このステップモータ駆動式リニアアクチエ
ータは、ＰＭ形ステップモータのロータをシャフトに螺
着し、ロータの回転によるねじの作用によりシャフトを
軸方向に変位させるものであって、ハウジング１はステ
ータ２をインサートして成形した樹脂でできている。ロ
ータ３は、アルミ製の胴体４と、胴体４の内側に成形さ
れた樹脂より成る雌ねじ部５と、胴体４の外側に接着さ
れた磁石６と、ベアリング７ａ、７ｂとからなり、ハウ
ジング１の中にステータ２と同心位置に回転自在の状態
で収納されている。

【０００９】雌ねじ部５の端部には、周方向と直角に延
在するストッパ面５ａ、５ｂが形成されている。出力シ
ャフト８の中央部には雌ねじ部５と螺合する雄ねじ部８
ａが形成され、雄ねじ部８ａの両端には起点決定用のス
トッパピン９と終点決定用のストッパピン９０とが径方
向に嵌入され、ストッパピン９は所定の起点位置でスト
ッパ面５ａに当接し、ストッパピン９０は所定の終点位
置でストッパ面５ｂに当接している。すなわち、ストッ
パ面５ａとストッパピン９とで物理的な起点角度決定用
のストッパ機構を構成している。なお、シャフト８の延
長部８ｂの軸心と直角方向の断面は小判形状に両面取り
されており、１０は第２ハウジングであり、シャフト８
を軸方向変位自在に支承する軸受け１１を有している。
軸受け１１の断面は、シャフト８の延長部８ｂと同様の
小判状形状となっている。

【００１０】以下、作動を説明すると、ステータ２のコ
イルに通電することによりロータ３が回転し、ロータ３
の内側の雌ねじ部５も一体に回転するが、ロータ３自体
は軸方向に動けない構造となっている。一方、雌ねじ部
５ａと螺合した雄ねじ部８ａを有するシャフト８は小判
形を軸受け１１で支承されているので、回転方向には動
けないが軸方向に動ける構造となっており、シャフト８
は軸方向に移動し、いわゆるリニア動作を成す。所定の
ストロークを移動すると、シャフト８に配したストッパ
ピン９とストッパ面５ａとが当接して、ロータ３は機械
的に停止される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４及
び図５に図示される回転型のストッパ機構でも、出力シ
ャフト８に径方向に形成された貫通孔に圧入されたスト
ッパピン９が存在するなどの理由により、精度合わせ作
業が複雑であるという問題があった。すなわち、このよ
うに出力シャフト８にストッパピン９を嵌挿する場合、
出力シャフト８の周方向の姿勢が最終的に軸受け１１に
より規定されることを考えると、シャフト８の延長部８
ｂの上記両面取りされた平面８ｃに対して所定角度とな
るように、出力シャフト８に貫通孔８ｄを穿孔する必要
がある。そして、ロータ３のストッパ面５ａの起点にお
ける回転角度は、ハウジング１０の軸受け１１を支持す
る面の精度、軸受け１１の外面及び内面（軸受け面）の
精度、出力シャフト８の延長部８ｂの一対の平面８ｃに
対する上記穿孔の方向精度、出力シャフト８の形状精度
に依存するので、初期ストローク位置を精密に設定する
ためにこれらの作業を高精度に仕上げる必要があった。

【００１２】特に、出力シャフト８にストッパを設ける
には、上記した出力シャフト８の穿孔８ｄにストッパピ
ン９を圧入する以外に現実的に可能な手段は考えられな
いが、このような圧入では、ストッパピン９又は出力シ
ャフト８の塑性変形により、どうしても圧入後のストッ
パピン９の姿勢（周方向の角度）が微妙に変化しやすか
った。更に、ストッパピン９は円柱形状に形成されるの
で、ストッパピン９とストッパ面５ａとの衝接部分は必
然的にほぼ直線状となり、衝接時の面圧が大きいため
に、衝接面の磨耗による初期ストローク位置のずれが生
じ、このずれの分だけ、初期励磁相におけるロータの回
転角度がぶれてしまうという問題もあった。

【００１３】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、ロータの初期ストローク位置（物理的な起点）を
正確かつ容易に得ることができ、使用中のこの起点位置
の変動も小さいステップモータ駆動式リニアアクチエー
タを提供することを、その目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成は、
ハウジングと、前記ハウジングの内周面に嵌装されるス
テータコアにステータコイルを巻装してなるステータ
と、前記ハウジングに回転自在に支承されて前記ステー
タにより駆動されるロータと、前記ロータの内周に形成
されたねじ穴に螺入されるとともに前記ハウジングに回
転不能、軸方向変位自在に支承される出力軸とを備える
ステップモータ駆動式リニアアクチエータにおいて、周
方向と直角に形成された係止面を有するとともに前記ハ
ウジングの内端面の所定位置に形成されるストッパと、
前記ハウジングの内端面と対面する前記ロータの端部に
周方向と直角に形成されて前記ロータの所定の回転角度
位置にて前記係止面に当接する被係止面とから構成され
て、前記ロータの所定の回転方向への回転を前記所定の
回転角度位置で禁止するストッパ機構を備えることを特
徴とするステップモータ駆動式リニアアクチエータであ
る。

【００１５】本発明の第２の構成は、上記第１の構成に
おいて更に、前記ロータの前記所定の回転角度位置は、
前記ステータコイルに所定の初期励磁相の電圧を印加し
た場合に前記ロータが安定状態となる回転角度位置に設
定されることを特徴としている。本発明の第３の構成
は、上記第１又は第２の構成のステップモータ駆動式リ
ニアアクチエータの製造方法であって、金型内のキャビ
ティの所定のセット位置に前記ステータをセット後、前
記キャビティに樹脂を注入して前記ハウジング及び前記
ストッパを一体に成形することを特徴としている。

【００１６】

【作用及び発明の効果】本発明のステップモータ駆動式
リニアアクチエータでは、出力軸がハウジングに回転不
能、軸方向変位自在に支承され、この出力軸はステップ
モータのロータの内周に形成されたねじ穴に螺入されて
いる。これにより、ロータのステップ駆動すなわち累積
パルス電圧数に比例するストローク量だけ出力軸が軸方
向に進退する。

【００１７】特に、本構成では、ハウジングの内端面の
所定位置にて係止面が周方向と直角に形成され、ロータ
の端面の所定の回転角度位置にて被係止面が周方向と直
角に形成され、両面がロータの所定の初期回転角度位置
（起点角度位置）にて当接する。これにより、ロータの
初期回転角度位置（起点角度位置）より出力軸退行方向
へのロータの回転は禁止され、正確にロータの起点角度
位置及びそれに対応する出力軸の起点ストローク位置を
決定することができる。

【００１８】更に本構成によれば、以下の作用効果を奏
する。本構成のストッパ機構は、出力軸にストッパピン
を圧入する構成を採用しないので、高精度の穿孔工程や
ストッパピンの形状を高精度に形成する必要がなく、圧
入時における出力軸の貫通孔やストッパピンの塑性変形
を回避してそれによる起点角度位置のぶれを防止でき
る。

【００１９】また、出力軸を介することなく、ハウジン
グにより直接、ロータの初期回転角度位置（起点角度位
置）が規定されるので、ロータの初期回転角度位置（起
点角度位置）が出力軸を軸方向変位自在に支承する軸受
けと出力軸及びハウジングとの間のがたの影響を受ける
ことがなく、その分、ロータの初期回転角度位置（起点
角度位置）のブレ（ばらつき）を減らすことができる。

【００２０】更に、本構成では、係止面と被係止面との
平面接触又は曲面接触などの面接触により衝接を実現す
るので、従来のストッパピン及びそれと衝接する係止面
の磨耗に比べて、衝接面圧を格段に低減でき、それによ
るロータの初期回転角度位置（起点角度位置）のぶれを
低減することができる。特に、この効果は、係止面又は
被係止面が樹脂体の成形で形成される場合に有益であ
る。

【００２１】結局、本構成によれば、製造工程を簡素化
するとともに、ロータの初期回転角度位置（起点角度位
置）を正確かつ容易に設定することができ、また使用中
におけるこの起点角度位置の変動も低減することができ
る。本発明の第２の構成では、上記第１の構成において
更に、ロータの初期回転角度位置（物理的な起点角度位
置）を、ステータコイルに所定の初期励磁相の電圧印加
下でロータが安定状態となるロータの回転角度位置とす
るので、始動時にはステータコイルに初期励磁相から順
次、パルス電圧を印加すればよく、ロータの初期回転角
度位置（起点角度位置）における励磁相の種類を記憶す
る必要がなく、制御が簡単となる。

【００２２】本発明の第３の構成では、上記第１又は第
２の構成のステップモータ駆動式リニアアクチエータの
製造方法であって、金型内のキャビティの所定のセット
位置に前記ステータをセット後、前記キャビティに樹脂
を注入して前記ハウジング及び前記ストッパを一体に成
形するので、ステータコアの各磁極位置に対して前記ス
トッパの係止面を極めて簡単かつ正確に位置出しするこ
とができ、これにより、所定の初期励磁相に対して初期
回転角度位置（起点角度位置）を簡単かつ正確に決定す
ることができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図３を参照
して説明する。ただし、本実施例の構成要素のうち、図
４、図５の装置と共通の機能を有する構成要素には共通
の符号を付す。この実施例のステップモータの断面図を
図１に示し、そのロータの斜視図を図２に示し、そのス
トッパ部分の一部拡大斜視図を図３に示す。

【００２４】このステップモータ駆動式リニアアクチエ
ータは、ＰＭ形ステップモータのロータ３を出力軸８に
螺着し、ロータ３の回転によ出力軸８を軸方向に変位さ
せるものである。ハウジング１は、ステータ２をインサ
ートして成形した樹脂体からなり、有底略円筒形状に形
成されている。ハウジング１の内周面に装着されたリン
グ状のステータ２は、ステータコア２１と、ステータコ
ア２１に巻装されたステータコイル２２とからなるが、
ステップモータのこのようなステータ２の構成は周知の
ものであるので、これ以上の説明を省略する。

【００２５】ただ、本実施例の特徴として図３に示すよ
うに、ハウジング１の内端面１ｃから軸方向へストッパ
１ａが突設されており、ストッパ１ａには周方向と直角
に形成された係止面１ｂが形成されている。ロータ３
は、アルミを素材とする略円筒状の胴体４と、胴体４の
内側に成形された樹脂より成る雌ねじ部５と、胴体４の
外側に接着されて所定のパターンに磁化された円筒状の
磁石６とからなり、ベアリング７ａ、７ｂを通じてハウ
ジング１に回転自在に支承され、これにより、磁石６の
外周面が微小間隔を隔ててステータ２の内周面に対面し
ている。

【００２６】雌ねじ部５の内周面は雌ねじ面となってお
り、雌ねじ部５の一端面には、凹部５０が形成されてい
る。この凹部５０の内周面から求心方向へストッパ突起
５１が突出しており、ストッパ突起５１には、周方向と
直角に延在するストッパ面（本発明でいう被係止面）５
ａが形成されている。一方、雌ねじ部５のねじ穴には出
力軸８が嵌入されており、出力軸８の中央部には雌ねじ
部５の雌ねじ面と螺合する雄ねじ部８ａが形成されてい
る。また、ハウジング１の開口面にはエンドプレートを
なす樹脂製の第２ハウジング１０が嵌合され、図示しな
いねじで両者は締結されている。第２ハウジング１０の
中央部に形成された軸受け孔には軸受け１１が固定され
ており、軸受け１１は出力軸８の延長部８ｂを軸方向変
位自在、回転不能に支持している。具体的に説明すれ
ば、延長部８ｂの軸心と直角方向の断面は小判形状に両
面取りされており、この形状に合わせて軸受け１１の軸
受け面も小判形状に形成されている。

【００２７】すなわち、本実施例では、ストッパ機構の
一部をなすストッパ１ａは、ハウジング１と一体形成さ
れており、ストッパ突起５１も雌ねじ部５と一体成形さ
れている。そして係止面１ｂとストッパ面５ａとの衝接
により、ロータ３の一方向への回転が禁止されて、ロー
タ３が初期回転角度位置（起点角度位置）にセットさ
れ、出力軸８が初期ストローク位置にセットされる。

【００２８】次に、このリニアアクチエータの製造方法
を説明する。金型内のキャビティのそれぞれ所定のセッ
ト位置にステータ２をセット後、このキャビティに樹脂
を注入してハウジング１及びストッパ１ａを一体に形成
し、ハウジング１にロータ３及びベアリング７ａ，７ｂ
を嵌入する。次に、軸受け１１が嵌め込まれた第２ハウ
ジング１０に出力軸８を嵌挿させ、両ハウジング１、１
０を嵌合、固定する。なお、第２ハウジング１０は第１
ハウジング１に対して所定の回転角度位置でのみ嵌合可
能となっており、同様に軸受け１１は第２ハウジング１
０に対して所定の回転角度位置でのみ嵌合可能となって
いる。

【００２９】なお、上記ハウジング１のインサート成形
において、ステータ２のステータコア２１の空間位置
（特にその磁極位置）に対する係止面１ｂの回転角度位
置は、ステータコイル２２に所定の初期励磁相のパルス
電圧を印加してロータ３が安定状態となった場合に、ス
トッパ面５１が係止面１ｂに当接する回転角度位置に設
定される。この結果、ステータコイルには、上記所定の
初期励磁相のパルス電圧から順次各相のパルス電圧を印
加するだけで、ロータ３をその起点角度位置すなわち初
期回転角度位置からスタートさせることができ、累積パ
ルス電圧の個数とロータ３の起点角度位置からの累積回
転角度を整合させることができる。

【００３０】以下、作動を説明する。ステータコイル２
２に通電することによりロータ３が回転し、ロータ３の
内側の雌ねじ部５も一体に回転するが、ロータ３自体は
軸方向に動けない構造となっている。一方、雌ねじ部５
ａと螺合した雄ねじ部８ａを有するシャフト８は小判形
の軸受け１１で支承されているので回転不能、軸方向変
位自在となっており、シャフト８は軸方向に移動し、い
わゆるリニア動作をなす。

【００３１】（変形態様）なお、本発明は上記実施例に
制約されるものではなく、ハウジング１に設けたストッ
パ１ａを第２ハウジング１０に設け、ロータ３のストッ
パ５１を反対側端面に設けてもよいことは当然であり、
ロータ３のストッパ５１とハウジングのストッパ１ａと
の凹凸関係を逆にしてもよいことも当然であり、ロータ
３のストッパ５１は径方向に突設できることも当然であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のステップモータ駆動式リニアアクチエ
ータの一実施例を示す断面図である。

【図２】図１のロータ３の斜視図である。

【図３】図１のストッパ１ａの拡大斜視図である。

【図４】ステップモータ駆動式リニアアクチエータの一
比較例を示す断面図である。

【図５】図４のロータ３の斜視図である。

【符号の説明】

１、１０はハウジング、２１はステータコア、２２はス
テータコイル、２はステータ、３はロータ、１ａはハウ
ジング側のストッパ、５ａは被係止面、８は出力軸。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ハウジングと、前記ハウジングの内周面に
   嵌装されるステータコアにステータコイルを巻装してな
   るステータと、前記ハウジングに回転自在に支承されて
   前記ステータにより駆動されるロータと、前記ロータの
   内周に形成されたねじ穴に螺入されるとともに前記ハウ
   ジングに回転不能、軸方向変位自在に支承される出力軸
   とを備えるステップモータ駆動式リニアアクチエータに
   おいて、 周方向と直角に形成された係止面を有するとともに前記
   ハウジングの内端面の所定位置に形成されるストッパ
   と、前記ハウジングの内端面と対面する前記ロータの端
   部に周方向と直角に形成されて前記ロータの所定の回転
   角度位置にて前記係止面に当接する被係止面とから構成
   されて、前記ロータの所定の回転方向への回転を前記所
   定の回転角度位置で禁止するストッパ機構を備えること
   を特徴とするステップモータ駆動式リニアアクチエー
   タ。
2. 【請求項２】前記ロータの前記所定の回転角度位置は、
   前記ステータコイルに所定の初期励磁相の電圧を印加し
   た場合に前記ロータが安定状態となる回転角度位置に設
   定される請求項１記載のステップモータ駆動式リニアア
   クチエータ。
3. 【請求項３】金型内のキャビティの所定のセット位置に
   前記ステータをセット後、前記キャビティに樹脂を注入
   して前記ハウジング及び前記ストッパを一体に成形する
   請求項１又は２記載のステップモータ駆動式リニアアク
   チエータの製造方法。