JP5110466B2 - 直動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、回転子の中心軸孔に螺入された出力軸が、回転子の回動に伴うねじ送り機構により、所定ストローク間を回転することなく往復駆動する直動アクチュエータに関する。

一般に、この種直動型アクチュエータ（モータ）は、出力軸を、ねじ軸（螺刻軸）部のみで構成したものの他に、ねじ軸と円弧（Ｄ字）状に切欠きし、或いは回り止めピンが設けられた回り止めエンド軸部とで構成し、回り止めエンド軸部をモータケースの軸受け部分に設けたＤ字状の回転規制孔に挿入して案内させて、モータのエンド側から突出させる構成となっており、雌ねじ部（螺刻部）に螺入するねじ軸部がロータ（回転子）の正逆回転により、進退移動するようになっている（特許文献１、図３参照）。
なお、出力軸をねじ軸部のみで構成したものは、モータケース側を基台にセットした場合に出力軸が進退移動し、出力軸を固定した場合にはモータケース自体が進退移動するようになっている。

しかしながら、かかる構成のものにおいては、ねじ軸部が、雌ねじ部に螺合した状態で回転または非回転の直進運動に変換され、フロントキャップから直接外部に出没する構成となっているため、その製作において、ねじ軸部と雌ねじ部は、駆動時の熱膨張を勘案した螺合（歯合）公差をもって組み付けられており、組立時にネジ軸の軸芯が芯ズレで傾くなどの軸芯組付け公差に対する構造上の問題を抱えており、出力軸の先端側に回転ブレを生じ、出力軸を高精度に進退移動することができず、また、高精度の移動と位置決めが要求される装置、例えば、直動モータの組付け公差を上回る公差設定でガイドされるようなワーク体に対して、出力軸の先端側を連結して押し引き駆動させるように構成すると、軸芯ズレや螺合ブレの問題に起因して、ねじ軸部と雌ねじ部との間にサイドロードがかかり、螺合がきつくなって推力が低下し、作動不良を招来するなどの問題があった。

一方、このように、ねじ軸部が雌ねじ部よりも長く設定され螺合部が露出したものを、例えば、特許文献２に開示されたものの如く、冷凍機器やボイラー等における流路との密封型構造を要する場合には、ヨーク（２）の内周面と回転子（３）との隙間に、非磁性金属より成形された円筒蓋状の隔壁（５３）を出力軸（４）の後端側が被嵌されるよう介装せしめて密封し、ヨーク（２）の外周面と隔壁（５３）とによってケーシングを構成し、流路（５１）から外部となるヨーク（２）側へのガス流出を防ぎ、漏洩しないよう構成する必要がある。
しかしながら、このものは、ヨーク（２）側へのガスの流出や漏洩を隔壁（５３）によって防ぐことができるものの、フロントキャップが回転子（３）全体を被嵌することができず、ガスのベアリング部から隔壁（５３）内への流入防止や、ねじ軸部（螺刻軸部４１）と雌ねじ部（螺刻部３１１）との螺合部分から胴部（３２）内への流入防止は、グリスやオイルなどのシール材により行わなければならなかった。そのため、シール材を少なくし、または使用できない場合には、ガスの物性やガス内に混入した異物が隔壁（５３）内や胴部（３２）内に流入して、内部部材と反応し錆などを発生させるなどの悪影響を与えてしまう危惧があり、また、シール材を多くすると、異物として流路内のガスに同伴して本体製品に悪影響を与えてしまう危惧がある。

特開平１０−３８０７５号公報 特開２００５−３２１０２９号公報

本発明は、上記の如き問題点を一掃すべく創案されたものであって、出力軸の螺刻軸部が、ケーシング内部に配設された回転子の螺刻部先端から、ケーシングの前面よりも外部側に直接出没する構成のものでありながら、螺刻軸部が、ケーシング前面の外部側に延設された前側の軸受部材内を、割り当てられた前側ストローク域として進退移動できるようにし、出力軸を、螺合部となる螺刻軸部と回転子の螺刻部との軸芯組付け公差による支持構造を回避して、軸芯ズレや螺合ブレを防止し、高精度に進退移動することができ、しかも、ケーシング内に螺刻軸部と回転子を確実に収容することができる直動アクチュエータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明が採用した技術手段は、ケーシング内に、励磁コイルにより磁路を形成する筒状ヨークと、その円周面が多極に着磁され、前記ヨークの筒孔内に励磁によって回転可能に嵌挿された回転子と、螺刻軸部が形成された出力軸とを備え、前記回転子の中心軸孔に形成された螺刻部に前記螺刻軸部を螺合し、その回動に伴って出力軸を進退移動可能に構成せしめた直動型アクチュエータであって、前記出力軸には、螺刻軸部の両側に螺刻形成のない前側のフロント軸部と後側のエンド軸部をそれぞれ延設させて、出力軸を、フロント軸部と、中央の螺刻軸部と、エンド軸部とに区割り形成せしめ、前記フロント軸部とエンド軸部を、ケーシングの前後側にそれぞれ配設した軸受部材の軸受部に案内支持して、フロント軸部がその軸受部から出没可能に構成せしめると共に、前記エンド軸部の軸受部と前記螺刻部間には、前記回転子の先端側に前記螺刻部を配設させ、該螺刻部に隣設して形成される回転子の後側内部空間領域を割り当てすることで、前記エンド軸部と前記螺刻軸部が進退移動する後側ストローク域を形成する一方、前記フロント軸部の軸受部と前記螺刻部間には、前記前側の軸受部材を、ケーシングの前面よりも外方に前記後側ストローク域に対応すべく延設させて、前記回転子から所定空間を存して形成される立上り空間領域を前記螺刻部に隣設して割り当てすることで、前記螺刻軸部とフロント軸部とが進退移動する前側ストローク域を形成せしめ、前記軸受部間に軸架された出力軸は、前記螺刻軸部を、前記螺刻部を介して前記後側ストローク域の回転子内と前側ストローク域の軸受部材内とを進退移動可能に構成せしめて往復駆動することを特徴とする直動アクチュエータ。

本発明における直動アクチュエータは、出力軸の螺刻軸部が、ケーシング内部に配設された回転子の螺刻部先端から、ケーシングの前面よりも外部側に直接出没する構成のものでありながら、螺刻軸部は、ケーシング前面のフロントキャップよりも外部側に延設された前側の軸受部材内を介して、割り当てられた前側ストローク域として進退移動することが可能となり、そのストローク域も螺刻部から軸受部までの空間領域を割り当て設定することができると共に、ストロークの異なる軸受部材を数種用意して適用することで前側ストローク域の長さ変更が行えるだけでなく、ケーシング内に駆動機構を構成する螺刻部とベアリング軸支部を含めた回転子全体や、螺刻軸部を移動可能に収容でき、出力軸の何れの側においても確実かつ容易に密封構造とし得るばかりか、フロント軸部の先端部に弁体などのワーク体を設けて、前側の軸受部材と共に流路などに用いた場合でも、筒管内に高精度の嵌め合い公差をもって挿入し進退移動させることができ、しかも、フロント軸部のシーリングは、一般的な軸受構造におけるシール構造を採用でき、流路内に導入されたガスの物性やガス内に混入した異物が隔壁内や胴部内に流入して、内部部材と反応し錆などを発生させるなどの悪影響を与えてしまう危惧や、シール材が異物として流路内のガスに同伴して本体製品に悪影響を与えてしまう危惧を解消若しくは一掃することができる。さらに、出力軸は、そのエンド軸部とフロント軸部を軸受部に対して、精度の高い嵌め合い公差をもって、移動可能に案内支持する構造とし得る結果、螺刻軸部と螺刻部との軸芯組付け公差によって支持される構造に依存することが回避され、出力軸を高精度に進退移動させて軸芯ズレや螺合ブレを防止することができるだけでなく、出力軸先端にワーク体を連結して正逆駆動しても、その押引負荷によるサイドロードが螺刻軸部と螺刻部に直接かかったり、螺合がきつくなって推力の低下や動作不良を生じてしまうことを防止して、モータのトルク損失を軽減せしめて回動伝達の効率化が図られ、直動アクチュエータの耐久性を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態を、好適な実施の形態として例示する直動アクチュエータを図面に基づいて詳細に説明する。
図１は直動アクチュエータの全体構成図、図２はその後面図、図３はその前面図である。これら図に示すように、１はＰＭ型ステッピングモータ構造の直動アクチュエータであって、該直動アクチュエータ１は、ケーシングを構成する筒状胴部１１とエンド側部１２とが一体的に形成された断面視略コ字状の円筒ケーシング本体１ａと、フロントキャップ１３によりケーシングを構成する。エンド側部１２とフロントキャップ１３には、それぞれ軸受として機能する断面視略コ字状の軸受部材１２１，１３１が設けられている。ケーシング本体１ａ内には、１組のヨークブロック２１、２１が設けられ、それぞれコイルボビン２０１、励磁コイル２０２が装着された円筒状のヨーク（ステータ）２と、回転可能に設けられた多極に着磁された回転子３と、該回転子３の中心軸孔３１に螺入されその回動に伴って進退移動可能な出力軸４を備える。
前記ヨーク２は、鉄、磁性ステンレス等により形成され、ヨークブロック２１の内周面に回転子３の磁極間隔に対応して複数の凹凸状極歯（図示しない）が定ピッチに形成され、所謂２相のコイルユニットを構成し、前記ヨークブロック２１、２１同士は、それぞれの極歯がステップ角だけ位置ズレさせて組付けられている。なお、ケーシングは、筒状ヨーク自体の外周面部が胴部１１に兼用されたものは勿論、特許文献２の如きのヨーク（２）の外周面と隔壁（５３）によって構成されたものを含むものであり、また、エンド側部１２をフロントキャップ１３の如く胴部１１と別体として製作しても良く、要は直動アクチュエータの内部機構を覆う外周部を構成するものであれば良い。

前記回転子３は、その中心に軸孔３１を有する樹脂製、黄銅、銅またはアルミ等の金属製の円柱（円筒）型のロータカラー３２と、該ロータカラー３２の外周面に配設されたＳ極とＮ極を交互に多極磁着したリング状磁石３３とにより構成され、その前後端側で、それぞ前記軸受部材１２１と１３１に回転可能にベアリング軸支され、出力軸４への押圧荷重で螺合部に負荷が係らないよう移動規制されている。
一方、回転子３の内部となる前記軸孔３１内には、その一側（先側）域に形成されて前記螺刻軸部４１と螺合する雌ねじとしての螺刻部３１１と、該螺刻部３１１よりも大きな内径空間が形成されている。

また、前記出力軸４は、その軸長さを略３分に区割りして、中央域に雄ねじとしての螺刻軸部４１が、その両側域に回り止めエンド軸部４２（または回り止めされないエンド軸部４２ａ）とフロント軸部４３がそれぞ一体形成され、前記極歯をＳまたはＮの所定極性に励磁することで回転子３が回動して、出力軸４が送りねじ機構により所定ストロークを進退移動して往復駆動するよう構成される。
なお、回り止めエンド軸部４２は、一般的な円柱軸で形成された回り止めされないエンド軸部４２ａを外周対向面をＤ字状（円弧状）に２面切欠きした断面視太鼓状に形成されており、フロント軸部４３は一般的な円柱軸に形成されている。

前記エンド側部１２に設けられた軸受部材１２１には、その中心部に回り止めエンド軸部４２を案内支持する軸受部１２２が設けられている。軸受部１２２は、エンド軸部を、回り止めエンド軸部４２とした場合には、この回り止め形状に適合した軸孔形状のブッシュにより構成され、また、回り止めされないエンド軸部４２ａとした場合には、一般的な円軸孔形状のブッシュにより構成され、エンド軸部４２または４２ａが軸受部１２２から外部へ出没するようになっている。この軸受部１２２と螺刻部３１１との間には、エンド軸部４２または４２ａと螺刻軸部４１が進退移動するための後側ストローク域３１Ｓが、回転子３の内径空間と軸受部材１２１の立上り空間領域に割り当て形成されている。なお、胴部１１とは別体で成形したエンド側部１２と軸受部１２２を一体成形しても良く、エンド軸部４２または４２ａを軸受部１２２から外部へ出没するように構成したが、軸受部材１２１を、特許文献２のアクチュエータ構造に示す案内支持構成を適用して、外部に出没させることなく密封するようにしても良い。

前記フロントキャップ１３に設けられた軸受部材１３１には、前記軸受部材１２１と同様に、その先端側にフロント軸部４３の形状に適合した軸孔形状のブッシュにより構成される軸受部１３２が設けられており、この軸受部１３２と回転子３の領域に、回転子３から所定空間を存して螺刻部３１１に隣設した態様で、螺刻軸部４１とフロント軸部４３とが進退移動するための前側ストローク域１３Ｓが形成されている。つまり、軸受部材１３１は、フロント軸部４３を案内支持する軸受部１３２と、該軸受部１３２から延設されてフロント軸部４３の周面が接触しない筒状内径を形成する前側ストローク域１３Ｓとして割り当てられた領域とにより構成されている。この前側ストローク域１３Ｓを変更したい場合には、ストロークの異なる軸受部材１３１を数種用意しておけばよい。なお、特許文献２の如き流路に適用する場合には、フロントキャップ１３と軸受部材１３１を一体成形しておけば、密封性をより確実なものとできる。

また、出力軸４は、軸受部１２２と１３２に対して、螺刻軸部４１と前記螺刻部３１１とが螺合する軸芯組付け公差を上回る精度の嵌め合い公差をもって軸架して案内支持され、前記後側ストローク域３１Ｓにおいては螺刻軸部４１とエンド軸部４２が、前記前側ストローク域１３Ｓにおいては螺刻軸部４１とフロント軸部４３が、それぞれ進退移動可能に構成される。そして、エンド軸部を、回り止めエンド軸部４２とした場合にはストローク１３Ｓ、３１Ｓ間を回転することなく進退移動する。

叙述の如く構成された本発明の実施例の形態において、いま、出力軸４は、回転子３の回転により螺刻部３１１の回転が、螺合された螺刻軸部４１に対して推力として伝達され、所定ストローク間を進退移動するのであるが、本発明における直動アクチュエータ１は、出力軸４の両側に螺刻形成のない前側のフロント軸部４３と後側のエンド軸部４２とをそれぞれ延設させて、出力軸４を、エンド軸部４２と、中央の螺刻軸部４１と、フロント軸部４３とに区割り形成せしめ、エンド軸部４２とフロント軸部４３を、ケーシング１ａの前後側にそれぞれ配設した軸受部材１２１、１３１の軸受部１２２と軸受部１３２に案内支持して、フロント軸部４３が軸受部１３２からその先端側が出没するよう構成せしめると共に、エンド軸部４２の軸受部１２２と螺刻部３１１間には、回転子３の先端側に螺刻部３１１を配設させて、該螺刻部３１１に隣設して形成される回転子３の後側内部空間と軸受部材１２１の立上り空間領域とを割り当てして、エンド軸部４２と螺刻軸部４１が進退移動する後側ストローク域３１Ｓを形成する一方、フロント軸部４３の軸受部１３２と螺刻部３１１間には、前側の軸受部材１３１を、ケーシング１ａの前面よりも外方に後側ストローク域３１Ｓに対応すべく延設させて、回転子３から所定空間を存して形成される立上り空間領域を螺刻部３１１に隣設して割り当てすることで、螺刻軸部４１とフロント軸部４３とが進退移動する前側ストローク域１３Ｓを形成せしめ、軸受部１２２と１３２間に軸架された出力軸４は、螺刻軸部４１を、螺刻部３１１を介して後側ストローク域３１Ｓの回転子３内と前側ストローク域１３Ｓの軸受部材１３１内とを進退移動可能に構成せしめて往復駆動するようになっている。

そのため、出力軸４の螺刻軸部４１が、ケーシング１ａ内部に配設された回転子３の螺刻部３１１先端から、ケーシング１ａの前面よりも外部側に直接出没する構成のものでありながら、螺刻軸部４１は、ケーシング１ａ前面のフロントキャップ１３に延設された前側の軸受部材１３１内を介して、割り当てられた前側ストローク域１３Ｓとして進退移動することが可能となり、そのストローク域も螺刻部３１１から軸受部１３２までの空間領域を割り当て設定することができると共に、ストロークの異なる軸受部材１３１を数種用意して適用することで前側ストローク域１３Ｓの長さ変更が行えるだけでなく、ケーシング１ａ内に駆動機構を構成する螺刻部３１１とベアリング軸支部を含めた回転子３全体や、螺刻軸部４１を移動可能に収容することが可能となり、出力軸４の何れの側においても確実かつ容易に密封構造を採用することができる。つまり、特許文献２に示されたフロント軸部４３の先端部に弁体などのワーク体を設けて、前側軸受部材１３１と共に流路などに用いた場合でも、筒管内に高精度の嵌め合い公差をもって挿入し進退移動させることができるだけでなく、フロント軸部４３のシーリングは、グリスやオイル等のシール材によらず、一般的な軸受構造におけるｙパッキンなどによるシール構造を採用でき、流路内に導入されたガスの物性やガス内に混入した異物が隔壁内や胴部内に流入して、内部部材と反応し錆などを発生させるなどの悪影響を与えてしまう危惧や、シール材が異物として流路内のガスに同伴して本体製品に悪影響を与えてしまう危惧を解消若しくは一掃することができる。

しかも、出力軸４のエンド側部１２とフロントキャップ１３への支持構造を、エンド軸部４２または４２ａとフロント軸部４３によって精度の高い嵌め合い公差をもって移動可能に案内支持する構造とし得る結果、出力軸４は、従来の如き螺刻軸部４１と螺刻部３１１との軸芯組付け公差によって支持される構造に依存することが回避され、出力軸４を高精度に進退移動させて軸芯ズレや螺合ブレを防止することができる。
つまり、出力軸４（フロント軸部４３）の先端部に設けられた弁体などのワーク体を筒管内に高精度の嵌め合い公差をもって挿入し進退移動させることができ、さらに、押し引き動作するワーク体を連結して正逆駆動しても、その押引負荷に起因して軸芯ズレや螺合ブレによるサイドロードが螺刻軸部４１と螺刻部３１１にかかってしまう不具合が解消され、螺合がきつくなって推力の低下や動作不良を生じることを防止して、モータのトルク損失を軽減せしめて回動伝達の効率化が図られ、直動アクチュエータ（直動モータ）１の耐久性を向上することができる。

また、前記出力軸４は、そのエンド軸部４２または４２ａとフロント軸部４３を、それぞれ前記エンド側部１２（軸受部１２２）とフロントキャップ１３（軸受部１３２）に対して、螺刻軸部４１と前記螺刻部３１１とが螺合する軸芯組付け公差を上回る精度の嵌め合い公差をもって軸架させて進退移動可能に案内支持せしめたことにより、螺刻軸部４１と螺刻部３１１の螺合部は、軸受機能を備える必要が無くなり、ネジ送り機能のみに特化することができるので、軸芯ズレや螺合ブレを防止するために、回転ナット（螺刻部３１１）に殊更高価なボールネジ構造を採用する必要が無くなり安価に製作することができる。また、螺合部が軸芯の芯ズレや螺合ブレ等その製作上の問題を有していても、出力軸４は、軸受部１２２、１３２に軸支されるガイド公差に依存して進退移動することができ、螺合公差に起因したネジ軸の芯ズレ若しくは回転ブレによる噛み合いの問題もなく、ストローク間を回転規制状態でスムーズに案内することができると共に、出力軸４をブレを生じることなく回転または非回転で往復駆動させることができ、直動アクチュエータ１の耐久性を向上することができる。

また、螺刻部３１１から軸受部１３２間に形成された前側ストローク域１３Ｓは、フロント軸部４３側の軸受部１３２が設けられる軸受部材１３１を延設させて割り当て形成してあるので、前側ストローク域１３Ｓの長さを変更したい場合には、ストロークの異なる軸受部材１３１を数種用意しておけばよく、かかる構造は、後側ストローク域３１Ｓとして軸受部材１２１にも同様に割り当てして適用することができる。なお、ストローク域の割り当ては、軸受部材１３１（軸受部材１２１）に適用したが、本願出願人が先に特願２００７−２３４０１７号に示したケーシング構造のように、ケーシング１ａの胴部１１を延設させて、螺刻部３１１とフロントキャップ１３（エンド側部１２）間に空域部を形成して割り当てするようにして、軸受部材１３１に短尺な軸受部材１２１のものを適用しても良い。

また、エンド軸部を、回り止めエンド軸部４２として回り止め案内させて軸受部１２２に支持すれば、出力軸４を、回転子の回動に伴なって前側と後側ストローク１３Ｓ、３１Ｓ間を回転することなく往復駆動することができ、フロント軸部４３に連動連結されるワーク体が要求する機能に応じて出力軸４を適宜に採用して適用することができる。

直動アクチュエータの全体断面構成図。 直動アクチュエータの後面図。 直動アクチュエータの前面図。

符号の説明

１ 直動アクチュエータ
１ａ ケーシング本体
１１ 胴部
１２ エンド側部
１２１ 軸受部材
１２２ 軸受部
１３ フロントキャップ
１３１ 軸受部材
１３２ 軸受部
１３Ｓ 前側ストローク域
２ ヨーク
２０１ コイルボビン
２０２ 励磁コイル
２１ ヨークブロック
３ 回転子（ロータ）
３１ 軸孔
３１１ 螺刻部
３１Ｓ 後側ストローク域
３２ ロータカラー
３３ 磁石
４ 出力軸
４１ 螺刻軸部
４２ 回り止め軸部
４２ａ 回り止めされないエンド軸部
４２１ ガイド片
４３ フロント軸部

Claims (4)

1. ケーシング内に、励磁コイルにより磁路を形成する筒状ヨークと、その円周面が多極に着磁され、前記ヨークの筒孔内に励磁によって回転可能に嵌挿された回転子と、螺刻軸部が形成された出力軸とを備え、前記回転子の中心軸孔に形成された螺刻部に前記螺刻軸部を螺合し、その回動に伴って出力軸を進退移動可能に構成せしめた直動型アクチュエータであって、
   前記出力軸には、螺刻軸部の両側に螺刻形成のない前側のフロント軸部と後側のエンド軸部をそれぞれ延設させて、出力軸を、フロント軸部と、中央の螺刻軸部と、エンド軸部とに区割り形成せしめ、
   前記フロント軸部とエンド軸部を、ケーシングの前後側にそれぞれ配設した軸受部材の軸受部に案内支持して、フロント軸部がその軸受部から出没可能に構成せしめると共に、
   前記エンド軸部の軸受部と前記螺刻部間には、前記回転子の先端側に前記螺刻部を配設させ、該螺刻部に隣設して形成される回転子の後側内部空間領域を割り当てすることで、前記エンド軸部と前記螺刻軸部が進退移動する後側ストローク域を形成する一方、
   前記フロント軸部の軸受部と前記螺刻部間には、前記前側の軸受部材を、ケーシングの前面よりも外方に前記後側ストローク域に対応すべく延設させて、前記回転子から所定空間を存して形成される立上り空間領域を前記螺刻部に隣設して割り当てすることで、前記螺刻軸部とフロント軸部とが進退移動する前側ストローク域を形成せしめ、
   前記軸受部間に軸架された出力軸は、前記螺刻軸部を、前記螺刻部を介して前記後側ストローク域の回転子内と前側ストローク域の軸受部材内とを進退移動可能に構成せしめて往復駆動することを特徴とする直動アクチュエータ。
2. 請求項１において、前記出力軸は、そのフロント軸部とエンド軸部は、前記それぞれの軸受部に対して、螺刻軸部と前記螺刻部とが螺合する軸芯組付け公差を上回る精度の嵌め合い公差をもって軸架せしめて構成してあることを特徴とする直動アクチュエータ。
3. 請求項１または２において、前記エンド軸部は、回り止め案内させて軸受部に支持し、出力軸を、回転子の回動に伴なって前記前側と後側ストローク間を回転することなく往復駆動することを特徴とする直動アクチュエータ。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、前記前側と後側の軸受部材は、それぞれケーシングの前後を形成するフロントキャップとエンド側部に設けられていることを特徴とする直動アクチュエータ。