TWI455454B - Linear actuator unit - Google Patents

Description

線性致動器單元

本發明係關於內設驅動手段而能按照輸入訊號來使導軸和滑動構件進行相對移動之線性致動器單元。特別是關於作為滑動構件的推動手段是利用棒狀線性馬達之線性致動器單元。

作為線性致動器的推進手段來利用之線性馬達，已知有棒狀的線性馬達。該棒狀線性馬達係具備：複數個磁極沿長方向排列而構成之磁棒、具備貫穿孔(供該磁棒插通)且在貫穿孔的內周面排列線圈構件而構成的致力器(forcer)；若對前述線圈構件供應驅動電流，會發生使前述致力器順沿磁棒的軸方向之推進力。

關於利用該棒狀線性馬達的線性致動器單元，已知有WO 2007/026673A1所揭示者。該線性致動器單元係具備：呈具有中空部的筒狀且形成有沿長方向的開口部之導軸、透過多數個球體來組裝於前述導軸且將該導軸朝其軸方向導引之滑動構件、以兩端受支承的狀態設於前述導軸的中空部內之磁棒、配置於前述導軸的中空部內而和該磁棒一起構成線性馬達之致力器，該致力器係透過前述開口部來和前述滑動構件結合。

若對前述致力器的線圈構件供應驅動電流，致力器會沿著磁棒而在導軸的中空部內朝軸方向推動。結果，透過 導軸的開口部來和前述致力器結合之滑動構件，會在導軸的外側朝軸方向推進，隨著供應前述驅動電流能使滑動構件相對於導軸以任意量移動。

這種構造之習知的線性致動器單元，可在導軸的中空部內收容棒狀線性馬達，結果可將推力發生源之線性馬達、直線導引手段之導軸以及滑動構件作極端緊致的融合，且其操作非常容易。

[專利文獻1]WO 2007/026673A1

然而，這種習知的線性致動器單元，由於前述導軸是由鋼材等的磁性體所形成，在該導軸的中空內部配置磁棒的結果，在該磁棒和包圍該中空部的導軸的內壁之間會有磁吸引力作用著，且磁棒是以長方向的兩端受支承的狀態配置於導軸的中空部內，若前述磁吸引力在磁棒周圍形成不均一，該磁棒容易發生彎曲。

特別是，在導軸形成有開口部(為了讓致力器和滑動構件結合)，而在磁棒和開口部之間沒有磁吸引力作用著，因此配設於導軸的中空部內的磁棒在與前述開口部的相反側容易發生彎曲，若磁棒全長變得長形化，磁棒可能會和導軸接觸。

此外，若磁棒發生彎曲，會對配置於其周圍之致力器的運動造成阻礙，又在磁棒彎曲量很大的情形，致力器會和磁棒接觸而造成滑動構件無法運動，又即使可避免致力 器和磁棒發生接觸，滑動構件的定位精度也會降低。

本發明係有鑑於前述問題點而構成者，其目的是提供一種線性致動器單元，可利用棒狀線性馬達來謀求小型化，並儘量抑制磁棒的彎曲，又能獲得滑動構件之圓滑運動和高定位精度。

亦即，本發明之線性致動器單元，係具備：呈具有中空部的筒狀且形成有沿軸方向的1條開口部之磁性體構成的導軸；可沿該導軸往復運動自如之滑動構件；以兩端受支承的狀態設於前述導軸的中空部內之磁棒；在前述導軸的中空部內配置於前述磁棒的周圍且和該磁棒一起構成線性馬達之致力器，該致力器係透過前述導軸的開口部來和前述滑動構件結合；以及以堵住前述導軸的開口部的方式從前述滑動構件朝其移動方向的前後突出之磁性體構成的棒矯正片。

依據前述構成之本發明，磁棒是在前述導軸的中空部內其兩端受支承，其周圍除開口部以外是被導軸所包圍。因此，在磁棒和導軸之間雖有磁吸引力作用著，但在開口部和磁棒之間沒有磁吸引力作用著，因此磁棒容易朝與開口部相反側的方向彎曲。然而，在沿磁棒移動的滑動構件上，由於在其移動方向的前後具備磁性體構成的棒矯正片，該棒矯正片是以堵住前述導軸的開口部的方式從滑動構件突出，因此在該棒矯正片和磁棒之間也會有磁吸引力作用著。

因此，在棒矯正片突出的區域，可緩和磁棒周圍之磁 吸引力的不均一，而能減輕該磁棒的彎曲情形。此外，由於由於棒矯正片是從滑動構件朝其移動方向的前後突出，若滑動構件沿著導軸移動，磁棒彎曲程度減輕的區域也會隨著滑動構件一起移動。因此，在滑動構件的移動方向前後的特定區域，始終會減輕磁棒的彎曲，藉此可確保滑動構件之圓滑運動，且提高滑動構件相對於導軸之定位精度。

以下，參照圖式來詳細說明本發明的線性致動器單元。

第1圖至第3圖係顯示運用本發明的線性致動器單元的一例。第1圖為全體立體圖，第2圖為側視圖，第3圖為在後述滑動構件的中心朝與長方向垂直的方向切斷之立體圖。該線性致動器單元，係具備：呈具有中空部10的大致圓筒形之不銹鋼製的導軸1、透過多數個球體來嵌合於該導軸1的外側之滑動構件2；利用收容於前述導軸1的中空部10內的線性馬達3產生的推力，來使前述滑動構件2沿導軸1的軸方向進行往復運動。

前述導軸1係由磁性體所構成，呈具有中空部10的大致圓筒形，在其外周面形成相位差180∘之2條球體轉動槽11。在該導軸1，在與前述球體轉動槽11的相位偏差90∘的位置，順沿軸方向形成一條開口部12。在第1圖及第2圖，該開口部12位於導軸1的下方。因此，前述導 軸1的中空部10，係通過該開口部12而朝導軸1的外部開口。在導軸1的外周面，在與前述開口部12的相位偏差180∘的位置形成平坦面13，該平坦面13係構成後述直線比例尺(linear scale)的安裝面。

另一方面，前述滑動構件2是形成大致矩形，且具有內徑稍大於前述導軸1的貫穿孔。導軸1是插通於此貫穿孔，並透過多數個球體(在前述球體轉動槽11內轉動)來安裝於滑動構件2。該滑動構件2係具備：滑動塊20、對應於各球體轉動槽11而固定於滑動塊20的軸方向兩端面之複數個端板21。在前述滑動塊20形成：利用該線性致動器單元的機器的固定部或可動部的安裝面20a，在該安裝面20a形成供螺栓螺合之螺孔20b。

在滑動塊20的貫穿孔的內周面形成：與前述導軸1的球體轉動槽11相對向的2條負荷轉動槽22(相位差180∘)，前述球體是在球體轉動槽11和負荷轉動槽22之間負荷荷重的狀態下進行轉動。在滑動塊20形成有與各負荷轉動槽22平行之2條球體返回通路23，這些球體返回通路23是位於各負荷轉動槽22的外側。另一方面，在各端片21形成方向轉換路(用來讓球體3往返於滑動塊20的負荷轉動槽22和相對應的球體返回通路23之間)，若將2片端板21分別固定於滑動塊20的軸方向兩端面，則在前述滑動構件2形成球體4的無限循環路。亦即，在第3圖所示的滑動構件2，是隔著導軸1而形成一對的無限循環路。在第3圖，僅顯示形成於滑動塊20之負荷 轉動槽22及球體返回通路23，並未顯示轉動的球體。

因此，若前述滑動構件2沿導軸1移動，球體4會在滑動塊20和導軸1之間以負荷荷重的狀態循環於前述無限循環路內，而使滑動構件2沿導軸1連續移動。由於球體是在導軸1的球體轉動槽11和滑動構件2的負荷轉動槽22之間轉動，滑動構件2無法在導軸1的周方向旋轉，因此可在滑動構件2和導軸1之間傳遞扭矩。亦即，前述滑動構件2和導軸1是構成滾珠栓槽裝置，前述導軸1相當於栓槽軸，前述滑動構件2相當於栓槽螺帽。

在第1圖至第3圖所示的例子，是在導軸1的外側安裝滑動構件2，但也能在導軸1的內壁，亦即在面向中空部10的導軸1內壁設置球體轉動槽11，在該中空部10內透過多數個球體來安裝滑動構件2。

因此，該線性致動器單元在使用時，係利用前述螺孔20b來將滑動構件2固定於其他的機器類，並讓被滑動構件2支承的導軸1沿軸方向進退。在實際的試作時，作為前述球體4是使用直徑0.4mm的鋼球，而使導軸能相對於滑動構件進行圓滑的直線往復運動。

另一方面，在前述導軸1的中空部10內，收容著線性馬達3的定子之磁棒30。該磁棒30，係沿軸方向將永久磁鐵的N極及S極交互排列而構成，可在不鏽鋼管的內部塞入多數個永久磁鐵而製作出，也能對於成形出的圓棒，事後進行磁化來形成磁極。第3圖所示的磁棒30是前者的例子。

在前述導軸1的軸方向兩端的開口部嵌合一對的端蓋5，以將導軸1的中空部10封閉。在該等端蓋5的內側，分別形成供前述磁棒30的端部嵌合之保持部，藉由將一對端蓋5固定於導軸1，前述磁棒30在導軸1的中空部10內以兩端支承樑的方式被保持，而以與導軸1的軸方向、亦即滑動構件2的移動方向平行的方式進行定位。圖中的符號51代表：用來將前述端蓋5固定於導軸1之固定螺絲的安裝孔。

在前述磁棒30的周圍，配置構成線性馬達3的致力器31。第4圖顯示該致力器31的詳細構造。該致力器31係具備：和磁棒30隔著些微的間隙且在其周圍捲繞成環狀之複數個線圈構件32、將這些線圈構件32保持成一體之絕緣體構成的樹脂保持具33、黏著於該樹脂保持具33之不鏽鋼製的棒矯正片34。前述棒矯正片34是由磁性體所形成。第4圖中的符號35，代表用來對各線圈構件32供應驅動電流的纜線，係由軟性基板(FPC)所構成。

在各線圈構件32施加三相交流電流，在前述樹脂保持具33，依序排列著對應於三相交流電流之U相、V相、W相的線圈構件32。在第4圖的例子，是將18個線圈構件32排列於樹脂保持具33，對應於U相、V相、W相之3個1組的線圈構件32，共排列有6組。各線圈構件32的排列節距，是設定成比永久磁鐵的排列節距更短。在磁棒30，是形成從S磁的磁極朝N極的磁極之磁通，在致力器31內部設有用來檢測該磁通密度之磁極感測器 (未圖示)。因此，根據該磁極感測器所輸出的檢測訊號，可掌握磁棒30的各磁極(N極及S極)相對於線圈構件32的位置關係。用來控制驅動電流對線圈構件32的供應之驅動單元，接收前述磁極感測器的檢測訊號後，按照線圈構件32和磁棒30的各磁極的位置關係來運算出最佳驅動電流的相位，將其供應至各線圈構件32。結果，流過各線圈構件32的驅動電流和永久磁鐵產生的磁通發生相互作用，而在線圈構件32和永久磁鐵的各磁極之間產生吸引力和排斥力，藉此將致力器31朝磁棒30的軸方向推進。

在設於前述導軸1的與開口部12相反側的平坦面13上，貼合順沿導軸1的長方向之2根直線比例尺14、15。在滑動構件2上，裝載著與前述直線比例尺14、15相對向之讀取頭16，若滑動構件2相對於導軸1移動，會輸出對應於其移動量之訊號。讀取頭16的輸出訊號是藉由纜線17傳送至前述驅動單元。該纜線17係由軟性基板(FPC)所形成。在一對的直線比例尺14、15當中，一方的直線比例尺14是用來檢測導軸1上滑動構件2的位置，另一方的直線比例尺15是用來顯示導軸1上的滑動構件2的原點位置之原點回位用。

如第3圖的截面圖所示，前述致力器31的線圈構件32是在導軸1的中空部包圍著磁棒30，用來保持該線圈構件32之樹脂保持具33，係透過導軸1的開口部12而突出於該導軸1的外部，黏著於樹脂保持具33之棒矯正 片34，係藉由固定螺釘來結合於滑動構件2。因此，在棒矯正片34上，形成有供前述固定螺釘螺合的螺孔36。藉此，若致力器31朝磁棒30的軸方向推進，會使滑動構件2朝導軸1的軸方向推進。

前述致力器31的軸方向長度，亦即沿前述線圈構件32的排列方向之致力器31長度，是形成比前述滑動構件2的軸方向長度更長。這是為了增強線性馬達3的推力。因此，滑動構件2是固定於致力器31的長方向的中央部，致力器31的長方向的兩端，並未被滑動構件2覆蓋，而是透過狹縫開口12露出於導軸1的外部。

另一方面，如此般將致力器31加長而提昇線性馬達3的推力的結果，假使滑動構件2超過界限停止位置而在導軸1上發生超限(overrun)的情形，致力器31的端部會撞上端蓋5而可能造成致力器31破損。

即使是發生這種事態的情形，為了防止致力器31的破損，在該線性致動器單元設有用來保護致力器31的一對的保護片4。第5圖顯示裝設有這些保護片4的狀態之致力器31的側視圖。保護片4是前端部40呈大致L字形彎曲之不鏽鋼製片，以從軸方向挾持滑動構件2的方式安裝於致力器31的棒矯正片34。在致力器上安裝有保護片的狀態下，在保護片4的前端部40和致力器31的軸方向端面之間形成有間隙，另一方面，保護片4的後端部41是抵接於滑動構件2。在致力器31的棒矯正片34上安裝保護片4時，設有若干的遊隙，以避免作用於保護片4的 外力波及棒矯正片34，或進而波及致力器31。

藉由如此般設置保護片4，在滑動構件2沿著導軸1運動時，即使滑動構件2超過界限停止位置而發生超限的情形，由於保護片4會比致力器31先撞上端蓋5，故致力器31不會撞到端蓋5，而能防止致力器31的破損。又由於在保護片4的前端部40和致力器31的端面之間形成有間隙，且保護片4的後端41是抵接於滑動構件2，即使保護片4撞上端蓋5，其衝擊力也會由安裝於導軸1的滑動構件2來負荷，因此不會作用於致力器31。因此，起因於保護片4衝撞端蓋5，而使致力器31相對於滑動構件2之安裝姿勢、安裝位置發生改變的問題，可予以排除。

具有以上構造之線性致動器單元，構成線性馬達3的磁棒30是收容於磁性體構成之導軸1的中空部10，且磁棒30是以兩端受支承的狀態設於中空部10內，因此磁棒30和導軸1之間會有磁吸引力作用著。當然，在導軸1形成沿長方向的開口部12，在該開口部12和磁棒30之間沒有磁吸引力作用著，因此該磁吸引力在導軸1的周方向並不是均等存在。因此，第1圖至第3圖所示的構造之線性致動器單元，磁棒30有容易朝與導軸1的開口部12相反側彎曲的傾向。

然而，在該線性致動器單元，由於在從滑動構件2朝其移動方向的前後突出之致力器31上裝設有磁性體構成的棒矯正片34，且致力器31是透過導軸1的開口部12 而露出於外部，因此前述棒矯正片34可將導軸1的開口部12堵住。因此，在磁性體構成的棒矯正片34和磁棒30之間會有磁吸引力作用著，該棒矯正片34所在的區域，亦即在致力器31和磁棒30重疊的區域，可減輕因磁吸引力的不均一所造成之磁棒30的彎曲。

此外，由於棒矯正片34從滑動構件2朝其移動方向的前後突出，且和該滑動構件2一起沿磁棒30的長方向移動，因此在滑動構件2之行進位置的前後可減輕磁棒30的彎曲情形。

如此，在本發明的線性致動器單元，可謀求導軸1上的滑動構件2的運動之圓滑化，並能提高滑動構件2在導軸1的長方向上的定位精度。

在第2圖及第5圖所示的例子，由於前述保護片4裝設於棒矯正片34且朝滑動構件2的前後方向大幅突出，若該保護片4是用磁性體來形成，則該保護片4也能發揮本發明的棒矯正片的功能。這時，藉由任意地設定保護片4(對於致力器31形成拆裝自如)的厚度及長度，可任意地調整磁棒30的彎曲量。

1‧‧‧導軸

2‧‧‧滑動構件

3‧‧‧線性馬達

4‧‧‧球體/保護片

5‧‧‧端蓋

10‧‧‧中空部

11‧‧‧球體滾動槽

12‧‧‧開口部

13‧‧‧平坦面

14、15‧‧‧直線比例尺

16‧‧‧讀取頭

17、35‧‧‧纜線

20‧‧‧滑動塊

20a‧‧‧安裝面

20b、36‧‧‧螺孔

21‧‧‧端板

22‧‧‧負荷轉動槽

23‧‧‧球體返回通路

30‧‧‧磁棒

31‧‧‧致力器

32‧‧‧線圈構件

33‧‧‧樹脂保持具

34‧‧‧棒矯正片

40‧‧‧保護片的前端部

41‧‧‧保護片的後端部

51‧‧‧安裝孔

第1圖係顯示本發明的線性致動器單元之全體立體圖。

第2圖係第1圖所示的線性致動器單元的側視圖。

第3圖是將第1圖所示的線性馬達致動器單元在滑動構件 的中心朝與長方向垂直的方向切斷之立體圖。

第4圖係顯示構成線性馬達的致力器的立體圖。

第5圖係顯示在第4圖的致力器裝設保護片的狀態之側視圖。

1‧‧‧導軸

2‧‧‧滑動構件

3‧‧‧線性馬達

5‧‧‧端蓋

10‧‧‧中空部

11‧‧‧球體滾動槽

12‧‧‧開口部

13‧‧‧平坦面

14、15‧‧‧直線比例尺

16‧‧‧讀取頭

17、35‧‧‧纜線

20‧‧‧滑動塊

20a‧‧‧安裝面

20b‧‧‧螺孔

22‧‧‧負荷轉動槽

23‧‧‧球體返回通路

30‧‧‧磁棒

31‧‧‧致力器

32‧‧‧線圈構件

33‧‧‧樹脂保持具

34‧‧‧棒矯正片

Claims (3)

1. 一種線性致動器單元，其特徵在於：係具備：呈具有中空部(10)的筒狀且形成有沿軸方向的1條開口部(12)之磁性體構成的導軸(1)；可沿該導軸(1)往復運動自如之滑動構件(2)；以兩端受支承的狀態設於前述導軸(1)的中空部(10)內之磁棒(30)；在前述導軸(1)的中空部(10)內配置於前述磁棒(30)的周圍且和該磁棒(30)一起構成線性馬達(3)之致力器(31)，該致力器(31)係透過前述導軸(1)的開口部(12)來和前述滑動構件(2)結合；以及以堵住前述導軸(1)的開口部(12)的方式從前述滑動構件(2)朝其移動方向的前後突出之磁性體構成的棒矯正片(34)。
2. 如申請專利範圍第1項記載之線性致動器單元，其中，前述致力器(31)之軸方向長度比前述滑動構件(2)的軸方向長度形成更長，前述棒矯正片(34)是兼作為前述致力器(31)的補強片。
3. 如申請專利範圍第1項記載之線性致動器單元，其中，前述導軸(1)是在外周面具有沿軸方向的球體轉動槽(11)之栓槽軸，前述滑動構件(2)是透過多數個球體(4)而設置成包圍前述栓槽軸周圍之栓槽螺帽。