JP4264139B2 - 線形アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータハウジングと、両方向に回転可能な主軸と、ピストンロッドを駆動するねじ切りされたナットと、トランスミッションを介して主軸を駆動することのできるモータとを備え、トランスミッションには、主軸のオーバーロード等の操作不良が生じた場合にモータと主軸との間の接続を遮断するための離脱装置が配置されている線形アクチュエータに関する。
線形アクチュエータは、線形的な動作または力の適用が望まれる数多くのタスクに使用される。例としては、電気作動式のドアや病院のベッド等があり、制御信号及びエンドストップによるオプション制御の結果、ピストンロッドが一つの位置から他の位置へと希望の動作を実行するように線形アクチュエータが配置されている。
実際には、一つの最端位置から他の最端位置へと高速で、或いは任意の位置から両最端位置の一方へと到達すること、もしくは総じて、移動される要素を線形アクチュエータのメカニズムに結合することなく設定可能であることが望ましいと言える。例えばドアの場合には、過剰温度による安全手段の解錠が防火ドアとしての高速閉鎖を可能にすること、或いは電源が落ちた場合でも通常は閉鎖されているドアが非常出口として使用可能でなければならないことが必要とされるであろう。病院のベッドの場合には、ベッドの頭の部分が持ち上がっていても完全に水平な状態を即座に取得することが望ましい。
この目的のために、欧州特許公開第０６８５６６２号は、緊急時に主軸と電気モータとの間の接続を遮断することのできる、冒頭に記述したタイプの線形アクチュエータを開示している。アクチュエータのピストンロッドが荷重されると、ピストンロッドは即座に開始位置に押し戻される（或いは引き戻される）。
欧州特許公開第０６８５６６２号は、主軸とモータの接続を解くための手段を含んでいる。こうした手段は、軸方向に向いた複数のカップリング部分を基礎とする、主軸とトランスミッションとの間の離脱装置で構成される。カップリング部分は、主軸とトランスミッションにそれぞれ接続され、放射状に伸長して主軸をモータから取り外すことのできる螺旋形カップリングばねで包囲されている。
通常の作動においては、離脱手段はトランスミッションから駆動される。この駆動は、カップリング部分を介して主軸へと伝達される。一方、離脱手段が主軸側の駆動パルスによって駆動される場合には、主軸がモータトランスミッションから外されて主軸の自由回転が可能となり、ピストンロッドがその開始位置へと押し戻される結果となる。
しかしながら多くの状況において、この解法は、ピストンロッドが開始位置においてエンドストップに当たる際の構造及び荷重に加わる衝撃のために、構造及びアクチュエータにより運搬される荷重に損傷を与えることになる、というリスクを包含している。
本発明の目的は、構造及びアクチュエータにより運搬される荷重が損傷されないことを保証する線形アクチュエータを提供することにある。さらに、この関連において、本アクチュエータのサイズ及び原価が著しくは増加しないことが、解法が絶対にアクチュエータの効率を低減させず、またエネルギー消費を増大させないことと同様に意図されている。
本発明は、冒頭に記述されたタイプの線形アクチュエータを備えており、本線形アクチュエータの離脱装置は、カップリング手段と共動してモータとの接続を外された場合の主軸の回転速度を制御する、アクチュエータハウジングに関連して回転式に調整可能なブレーキ手段を含んでいる。
これは、通常の作動においては不活性化されていて、モータからの主軸の離脱により、開始位置に戻るピストンロッドの帰還速度を調整可能な方法で自動的に起動されるような線形アクチュエータの緊急時機能を保証している。
従って本発明を使用すれば、アクチュエータの効率及び電力消費に影響を及ぼすことなく線形アクチュエータに緊急時機能を適用することができる。同時に本発明による線形アクチュエータは、従来と同じサイズ、且つほぼ同一原価で構成することができる。
好適な実施形態では、カップリング手段に於けるカップリング部分に、部分間にフィンガーカップリングを確立するための軸方向に突出したつめが供給されている。これは、モータトランスミッションから主軸へのトルクの有効且つすべりのない伝達を保証する。さらに、半径方向に向いた側面によって個々のつめが形成されると、２つのカップリング部分におけるつめの間に大きな勘合面が供給されるため、伝達可能なトルクが増大する。
好適な実施形態では、離脱装置内のブレーキ手段が、調整手段を介してアクチュエータのハウジングと調整可能な摩擦接触状態にある管部分を備えている。管部分は、アクチュエータハウジング内に回転式に配置されており、カップリングばねによってカップリング手段と管部分との間にカップリングが確立されるような方法でカップリング手段を包囲している。前記カップリングばねは、離脱の際に半径方向に伸長される。
主軸を駆動するトランスミッションは、モータによって駆動される太陽歯車と、カップリング手段内のカップリング部分のうちの１つに接続された１つまたは複数の遊星歯車と、ブレーキ手段に固定的に接続され、好適には管部分の内側の一部として構成されたリング歯車とを備えたプラネットギヤとして構成されている。線形アクチュエータにおけるトランスミッションとしてプラネットギヤが使用される場合には、このタイプの伝動装置の効率面での優位点が使用され、一方でトランスミッション及び離脱装置が極めてコンパクトに構成可能であること、特に本発明による線形アクチュエータがこれによりサスペンションアイにおいてモーメントフリーであることが保証されている。特に、電気モータの回転動作にも関わらずアクチュエータがサスペンションにおいてモーメントフリーであることは、取付の面だけでなく、モータ開始時にアクチュエータにジャークが起こらないことからアクチュエータの開始の面でも優位点を提供している。
以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明していく。
図１は、本発明の好適な実施形態に一致した線形アクチュエータの断面図である。
図２は、図１の線形アクチュエータにおける調節装置の詳細図である。
図３は、図１に示された本発明の実施形態の変形例の詳細図である。
図１は、内部にトランスミッションとカップリング装置とが配置されたアクチュエータハウジング９を有する線形アクチュエータを示している。片側では、トランスミッションが電気モータ（図示されていない）に接続されている。電気モータはトランスミッション及びカップリング装置を介して非セルフロック式主軸８を駆動し、主軸８はねじ式ナット７を駆動し、これによりねじ式ナット７上に取り付けられたピストンロッド４が２つのエンドストップ５、６間で直線的に変位される。
電気モータの駆動軸にはウォーム１０が供給されており、ウォーム１０は駆動軸１２の周りを回転するトランスミッション歯車１１を駆動する。このトランスミッション歯車には、ウォームと噛み合うための歯車１１と、プラネットギヤを駆動する太陽歯車１３とが供給されている。プラネットギヤはさらに、カップリング装置内のカップリング部分２０に接続された複数の遊星歯車１４と、アクチュエータハウジング９内に回転式に配置された管部分１６の内側に供給されたリング歯車１５とを備えている。管部分の周囲には制動ばね１８が巻かれている。制動ばね１８はアクチュエータハウジング９に固定され、解除装置１７に接続されている。
遊星歯車１４は第１カップリング部分２０の端部に回転式に取り付けられており、軸１２の周りを自由に回転することができる。この第１カップリング部分２０は主軸８の端部に勘合する第２カップリング部分２１と共動し、太陽歯車１３を中心とする遊星歯車の回転を主軸８に伝達する。２つのカップリング部分２０、２１には各々、フィンガーカップリングを達成するために互いに緩めに勘合された軸方向に突出する１組のつめが供給されている。カップリング部分２０、２１間の勘合部分では、こうした部分２０、２１と管部分１６との間の外側にカップリングばね２２が配置されている。ばね２２の両端は、フィンガーカップリング内のつめの間に座すように内側に曲がっている。つめには各々、ばねの端部を受容するリセスが供給されており、つめ同士が勘合状態になると、つめは側面の全長に渡って噛み合うことができる。ばね２２は、カップリング装置がモータ側から駆動されるとカップリング部分２０、２１の周りへとねじ込まれるように配置されているため、伝動は、遊星歯車１４から第１カップリング部分２０へ、さらに第２カップリング部分２１へと伝達される。第２カップリング部分２１は、回転を主軸８に伝達する。これに対して、トランスミッションが荷重のために主軸８から伝動パルスを受ける場合は、反対方向の回転力がカップリングばね２２に掛かり、ばねが半径方向に伸長される。これにより、カップリング部分はモータ駆動装置との結合を外される。この場合のばね２２は、伸長時に管部分１６の内面との摩擦結合を達成する。これは、カップリング部分２０、２１及びその結果として主軸８が、管部分１６と共に回転するに至ることを意味している。
従って、内部に同軸的に配置されたカップリング部分２０、２１と摩擦結合状態にある管部分１６がアクチュエータハウジング９に関連して制動されている限り、主軸８は回転を防止される。これは、荷重の掛かった状態では、アクチュエータのピストンロッド４は押し戻されることなく、その位置に留まることを意味している。管部分１６の周囲の制動ばね１８の張力が解除装置１７内の調整ロッド１７ａ（図２参照）を引くことによって低減されると、ピストンロッド４は、制御された方法で始動位置へと滑り戻ることができる。これにより、管部分１６の回転速度、従って主軸８、を制御することができる。
管部分１６はアクチュエータハウジング９内に回転式に設置されているため、解除装置１７を介して回転速度を制御することが可能である。図２も参照されたい。この解除装置１７は、ねじ形の制動ばね１８が管部分１６の周囲で張力を掛けられるように作動するため、ばね１８と管部分１６との間の摩擦は、ばねを緩めることによる制御された方法で調整することができる。制動ばね１８は、その一端が調整ロッド１７ａに接続されている。調整ロッド１７ａは、円錐またはくさび形要素１７ｂを介してハウジング９に取り付けられている。制動ばね１８の他端は、ハウジング９内に直接固定されている。これにより、管部分１６の外面に渡る制動ばね１８の張力は調整が可能であり、前記管部分を制御された方法で固定位置から回転させる。図１から解るように、管部分１６を包囲しているのは、ばね１８の外側部分である。管部分１６の周囲でその張力を緩和するために「開放される」のは、ばね１８の極く一部であるため、これは、解除装置１７の最大効果を提供する。ばね１８の許容「開放」の最大値は、調整装置１７内の調整ねじ１９によって調整することができる。従って、主軸８の最大回転速度は、モータとの結合が外されたときにこの調整ねじ１９によって調整することができる。
アクチュエータの操作モードは、以下の通りである。
ｉ）通常の作動状態で電気モータに電源が入ると、ウォーム１０及び歯車１１を介してプラネットギヤ内の太陽歯車１３が駆動される。リング１６は制動ばね１８によって固定されているため、プラネットギヤの遊星歯車１４はリング１６の内歯１５内で回転され、これらはカップリング部分２０の端部に接続されていることからカップリング部分２０に沿って伝動する。カップリング部分２０は第２カップリング部分２１に沿って動き、最終的に第２カップリング部分２１が主軸８を駆動する。ナット７は、これにより主軸上を前方へとねじ込まれ、ピストンロッド４が伸長される。こうした状況では、２つのカップリング部分２０、２１の周囲のばね２２はこれらの周囲で共に引っ張られて回転動作に追随する。
ｉｉ）ピストンロッドが外部位置に達する、或いは所望の伸長位置に到達すると、モータへの電力は遮断される。主軸８は非セルフロックタイプであるため、ピストンロッド４上の荷重は主軸、延てはナット７を介して関連するカップリング部分２１を回転させようとする。次いで、カップリング部分２１は周囲のばね２２をリング１６から伸長させ、第２カップリング部分２０に沿って伝動させようとするが、これは、ウォーム駆動における大伝動のため、遊星歯車及び太陽歯車を介して回転から防護されている。これにより、主軸はその停止位置に保持される。
ｉｉｉ）ピストンを引き戻す際には、モータの回転方向が逆転し、延ては伝動もまた逆転するため、主軸の回転方向が逆転し、これによりナットが主軸上をねじ下げられる。これにより、ピストンが引き戻される。こうした状態では、カップリング部分２０によってばね２２も共にカップリング部分２０、２１の周囲で引っ張られ、これによりカップリング部分２０、２１が固定される。
ｉｖ）モータへの電源が落ちた場合には、ピストンロッドは、ｉｉ）項で述べたような理由により現在位置に止まる。
こうした状況において、何らかの理由でピストンロッドを引き戻し位置に置きたい場合、これは、解除装置１７で制動ばね１８を分離することによって実行することができる。２つのカップリング部分２０、２１の周囲のばね２２は、ｉｉ）で述べたようにリング１６に対して伸長するが、これはフリーであるため、回転させられる。ばね２２はｉｉｉ）のように第２カップリング部分２１によって固定されていないため、遊星歯車１４と共に回転し、遊星歯車１４は、太陽歯車１３の周りを回転する。
ピストンロッド４が引き戻される速度は、調整ロッド１７ａの移動距離に依存している。これは、その上のコーン１７ｃが、コーン上の曲がった端部１８ａによってスライドする際の制動ばね１８の開放度を決定するためである。コーンが右に移動するほど、図２参照、制動ばね端部１８ａが、開放度の大きさに応じて管１６からさらに伸長する。ピストンロッドが沈降して開始位置に戻ることのできる最高速度は、コーン１７ａと調整ネジ１９との勘合によって決定される。
ｖ）何らかの理由で、通常の作動状態及び電源故障の場合の双方においてピストンロッドをその外部位置へと伸長させたい場合には、引張力がピストンロッド４またはこれに接続された構造部材に単に印加される。これにより、主軸がカップリング部分２１を回転させ、ばね２２を拡張させてリング１６と噛み合わせる。制動ばね１８はその巻上方向のために開き、リング１６が解放される。遊星歯車１４は太陽歯車１３上を単に回転し、伝動は第２カップリング部分２１に伝えらえる。これにより、ピストンロッドを所望位置へと自在に伸長することができる。
ｖｉ）ピストンロッド４の引き戻し中に、不意の機械故障が発生した場合には、内部に引張力が生じ、これによってカップリング部分２０、２１が保持される。カップリング部分２０は回転不可能であり、遊星歯車１４は制動ばねが開く方向にリング１６に対してトルクを印加するため、制動ばねがリングを解放し、次いでリングが単に回転する。モータの回転方向が逆転すると、ピストンロッドは問題なく伸長する。
線形アクチュエータは、引張式アクチュエータまたは押出式アクチュエータの何れとしても使用が可能である。何れの機能においても、主軸８が自由に作動可能であってアクチュエータを所望位置へと引っ張る／押し出すことのできるような「自在押し／引き」機能を有することが望まれる状態が存在する。制動ばね１８はこの自在引っ張りを防止する場合があるため、この機能は本発明による線形アクチュエータによって妨げられる可能性がある。しかしながら、制動ばね１８は、ばねのねじりを主軸８の自由走行が望まれるような回転方向に適合させるように構成及び配置することができる。従って、引っ張り式アクチュエータであれば、ばね１８のねじりは主軸のねじ山の方向に従ったものでなければならず、また押出式アクチュエータであれば、主軸のねじ山の反対でなければならない。
アクチュエータが引張式であると同時に押出式として使用可能でなければならない場合には、制動ばね１８は、反対方向に巻かれた２つのばね１８ａ、１８ｂで構成されなければならない。こうした２つのばね１８ａ、１８ｂは共に、図３が示すように一端をアクチュエータハウジング９に固定され、他端を解除装置１７に接続されている。ばね１８ａ、１８ｂは共に内側に伸長し、管部分１６の中央で出合っており、ここで解除装置１７によって接続されている。
上述の構造がブレーキ手段の調整なしでも供給可能であることは明白である。本構造もまた、本発明によって包含されている。指摘されたブレーキ手段のない遊星歯車の使用もまた、本発明に包含される。

Claims (9)

1. アクチュエータハウジング（９）と、両方向に回転可能な主軸（８）と、ピストンロッド（４）を駆動するねじ切りされたナット（７）と、トランスミッション（１０−１５）を介して主軸（８）を駆動することのできるモータとを備えた線形アクチュエータであって、トランスミッション（１０−１５）には、主軸（８）の操作不良が生じた場合にモータと主軸（８）と間の接続を遮断するための離脱装置が設けられており、離脱装置は、主軸がモータとの接続を外された場合に、カップリング手段（２０、２１、２２）と共動して主軸の回転速度を制御するための、アクチュエータハウジング（９）に関連して回転式に調整可能なブレーキ手段（１６、１７、１８）を備えていることを特徴とする線形アクチュエータ。
2. カップリング手段は、各々が主軸（８）とトランスミッション（１０−１５）の軸（１２）とに接続されており、相互に噛み合っていて放射状に伸長してモータから主軸を分離させる螺旋状カップリングばね（２２）に包囲されている軸方向のカップリング部分（２０、２１）を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の線形アクチュエータ。
3. カップリング部分（２０、２１）は、カップリング部分（２０、２１）間でかみあい継手を確立するための軸方向に突起するつめを備えていることを特徴とする請求項２に記載の線形アクチュエータ。
4. ブレーキ手段は、カップリング手段（２０、２１、２２）を収容する管部分（１６）を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の線形アクチュエータ。
5. 管部分（１６）は、アクチュエータハウジング内に回転式に配置され、またカップリングばね（２２）によってカップリング手段と管部分（１６）との間に結合が確立されるようにカップリング手段を取り囲んでおり、前記カップリングばね（２２）は離脱時に放射状に伸長されることを特徴とする請求項４に記載の線形アクチュエータ。
6. 管部分（１６）は、制動ばね（１８）によって包囲されており、その制動ばね（１８）の一端はアクチュエータハウジング（９）に固定され、制動ばね（１８）の他端は調整装置（１７）によって調整することにより、管部分（１６）に対する当該制動ばね（１８）の締め付けを調整できることを特徴とする請求項４または５に記載の線形アクチュエータ。
7. トランスミッションは、モータによって駆動される太陽歯車（１３）と、カップリング手段（２０、２１、２２）に接続された１つまたは複数の遊星歯車（１４）と、ブレーキ手段（１６、１７、１８）に接続されたリング歯車とを備えたプラネットギヤを備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の線形アクチュエータ。
8. 遊星歯車（１４）は、トランスミッション軸（１２）上で回転するカップリング部分（２０）上に回転式に設置されていることを特徴とする請求項７に記載の線形アクチュエータ。
9. リング歯車（１５）は管部分（１６）の内側の一部分に形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の線形アクチュエータ。

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