JP5268309B2 - ロッドリニアアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータとスプライン機構を組み合わせることによって、従来にないロッドタイプのリニアアクチュエータを実現する技術に関するものである。

例えば、射出成形機の射出装置や建設機械のリンク機構など、機械装置の伸縮動作を実現するアクチュエータとしては、一般的に、油圧シリンダが用いられている。油圧シリンダは、圧油供給源である可変ポンプの容量を変化させることで圧油の圧力と流量を変化させ、出力を最大にしながら広い速度範囲と推力範囲が実現される装置である。

このように駆動される油圧シリンダは、伸縮作動を行う油圧シリンダ本体と、この油圧シリンダ本体に圧油の供給を行う油圧発生装置とから構成されている。油圧シリンダ本体は、油圧ポンプや切換弁等からなる油圧発生装置から圧油の供給を受けることによって、伸縮作動を行えるように構成されている。そしてこれまで、油圧シリンダを構成する油圧シリンダ本体と油圧発生装置とは、油圧シリンダ本体と油圧発生装置とが離間して配置され、油圧配管を通じて両者間で圧油の給排を行うものや、下記特許文献１に示すように油圧シリンダ本体と油圧発生装置とを一体に構成したものが提供されている。

しかしながら、油圧シリンダは、油圧シリンダ本体とは別に比較的大きな油圧発生装置を必要とするため、導入の際の製造コストや維持・管理コストが高くなってしまうという課題を有していた。また、油圧シリンダは、大出力であり、且つ、広い速度範囲と推力範囲を実現できる一方、ストローク内での細かい停止位置制御を苦手とするため、高い制御性を要求されるような機械装置には用いることができなかった。さらには、廃油発生などの環境問題をも抱えていた。そこで、このような問題を抱える油圧シリンダから、制御が容易でクリーンな電動の駆動装置の実現が望まれていた。

実開昭６３−１６４６０３号公報

ところで、出願人は、様々な動力伝達機構としてのアクチュエータを製造・販売しているが、そのような経験の蓄積から、発明者は、リニアモータと運動案内機構を組み合わせた構造のアクチュエータを開発することによって、従来技術では実現できなかった様々な好適な作用効果を有するアクチュエータを生み出すことができるのではないかという着想を得るに至った。特に、リニアモータ内にコンパクトな形でスプライン装置を納めることができれば、そのような装置は産業界において非常に高い利用性を備えたものとなる。

しかしながら、界磁束発生源となるコイルと磁界発生源である永久磁石を有するリニアモータに、従来の型式のスプラインナットとスプライン軸を納めることは、非常に困難を伴うものであった。特に、ボールなどの複数の転動体から繰り返し転がり負荷を受けるスプライン機構と、電気的な装置であるリニアモータを組み合わせることは技術的に困難を伴うものであり、単にリニアモータとスプライン装置を合体させただけでは、実用に耐え得るアクチュエータは得られない。

本発明は、上述した課題の存在に鑑みて成されたものであって、その目的は、高い制御性というリニアモータの利点を有しつつ、駆動力の伝達効率を高めることができるとともに高い剛性を有するスプライン機構の利点をも併せ持ち、しかもコンパクトな形状を備えるという従来にないロッドタイプのリニアアクチュエータを提供することにある。

本発明に係るロッドリニアアクチュエータは、複数の永久磁石を備えることによって界磁束発生源となるシリンダロッドと、コイルを備えることによって磁界発生源となるシリンダケースと、を備え、前記複数の永久磁石が前記シリンダロッドの軸方向に積み重ねられてそれぞれが固定されることにより、前記シリンダケースに設置される前記シリンダロッドが軸方向に往復直線運動自在とされるロッドリニアアクチュエータにおいて、前記シリンダケースの内周面には、軸方向に延びる複数条の転動体転走面が形成されており、前記シリンダロッドには、複数の転動体を転動自在に収納するスプラインナットが固定設置されており、前記スプラインナットに収納される前記複数の転動体が、前記シリンダケースの内周面に形成された前記転動体転走面に沿って転走することにより、前記シリンダロッドの往復直線運動が案内され、前記コイルと前記転動体転走面は、前記シリンダケースの軸方向において重畳しないように設置及び形成されており、前記シリンダロッドは、前記スプラインナットと、前記スプラインナットの一方に接続されるとともに前記コイルに対向配置される界磁束発生部と、前記スプラインナットの他方に接続される作用部と、から構成されることを特徴とする。

また、本発明に係るロッドリニアアクチュエータにおいて、前記界磁束発生部は、内部に前記複数の永久磁石を収納可能な非磁性材料によって構成され、前記作用部は、金属材料によって構成されていることとすることができる。

さらに、本発明に係るロッドリニアアクチュエータは、前記シリンダケースの軸方向端部であって前記シリンダロッドと摺接する箇所に、樹脂軸受又はメタル軸受を設置することができる。

また、本発明に係るロッドリニアアクチュエータにおいて、前記シリンダケースの少なくとも前記コイルが設置される位置の外周面には、放熱用のフィンを複数形成することが好適である。

さらに、本発明に係るロッドリニアアクチュエータにおいて、前記シリンダケースにおける前記コイルと前記転動体転走面との間には、断熱材を設置することができる。

またさらに、本発明に係るロッドリニアアクチュエータにおいて、前記シリンダロッドに固定設置される前記スプラインナットの少なくとも前記コイル設置側の側面には、断熱材を設置することができる。

なお上記発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

本発明によれば、高い制御性というリニアモータの利点を有しつつ、駆動力の伝達効率を高めることができるとともに高い剛性を有するスプライン機構の利点をも併せ持ち、しかもコンパクトな形状を備えるという従来にないロッドタイプのリニアアクチュエータを得ることができる。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータの全体構成を説明するための縦断面正面図である。また、図２は、本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータが備えるリニアモータ部αの構成を説明するための縦断面側面図であり、特に、図１におけるＡ−Ａ断面を示している。さらに、図３は、本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータが備えるスプライン機構部βの構成を説明するための縦断面側面図であり、特に、図１におけるＢ−Ｂ断面を示している。

本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータは、大きく分けると、シリンダロッド１０とシリンダケース３０という２つの部材から構成されている。

シリンダロッド１０は、スプラインナット１２と、このスプラインナット１２の両端面に連設される界磁束発生部１３ａ及び作用部１３ｂという２つの軸形状をした部材とによって構成されている。これら界磁束発生部１３ａ、スプラインナット１２及び作用部１３ｂの連結は、ボルト等の締結手段によって実現されている。

シリンダロッド１０の構成部材である界磁束発生部１３ａは、複数の永久磁石１１をその内部に備えることによって界磁束発生源となる部材であり、リニアモータ部αにおける可動子としての機能を発揮する。

本実施形態に係る複数の永久磁石１１は、それぞれが円柱形状をした部材であり、この円柱形状を軸方向で挿入することができるように界磁束発生部１３ａに形成された空洞に対して積み重ねることによって装着がなされている。そして、複数の永久磁石１１は、それぞれが接着剤により確実に接着固定されている。なお、本実施形態においては、複数の永久磁石１１は、隣り合う永久磁石の外側表面に現れる極性が異なるように設置されている。

複数の永久磁石１１を収納する界磁束発生部１３ａは、樹脂やアルミ、ステンレス鋼、セラミックス、高硬度非磁性快削鋼などの非磁性材料によって形成することが可能であり、外部負荷からの保護が成されている。また、界磁束発生部１３ａは、上述したように樹脂やアルミ、セラミックス等の軽量の材料によって構成することができるので、内部に組み込まれる複数の永久磁石１１の径を最大限に大きくすることができる。つまり、従来のリニアモータと比較すると、本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータは、界磁束発生部１３ａの軽量化と永久磁石１１の最大化を同時に実現することができるので、所望の出力を得ようとする場合に従来技術と比べて装置形状をコンパクトにできるという利点を有している。また、この利点は従来のリニアモータと装置の大きさを同じにしなければならない場合にも有利に働き、従来のリニアモータに比べて永久磁石１１の径を大きくすることができるので、装置の大きさが同じであっても本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータの方が従来技術に比べて高出力のリニアモータを実現することが可能となっている。

一方、スプラインナット１２を挟んで界磁束発生部１３ａの反対側に接続される作用部１３ｂは、外部に作用して仕事を行うための部材であり、こちらは剛性の高い金属材料によって構成されている。つまり、従来のロッドリニアアクチュエータは、シリンダロッドが単一の部材として構成されていたので機能に応じて構成を選択することができなかった。しかしながら、本実施形態に係るシリンダロッド１０では、ロッド部分を界磁束発生部１３ａと作用部１３ｂという別部材で構成したので、界磁束発生部１３ａについてはリニアモータとしての機能を最大限に引き出す軽量化・高出力化を実現する構成を採用することができ、作用部１３ｂについてはアクチュエータとしての機能を最大限に引き出す高剛性化を実現する構成を採用することが可能となっている。

次に、このような界磁束発生部１３ａと作用部１３ｂとに挟まれて設置されるスプラインナット１２の具体的な構成について、図１及び図３を用いて説明する。ここで、図３は、本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータが備えるスプライン機構部を説明するための縦断面側面図であり、特に、図１におけるＢ−Ｂ断面を示している。

図１及び図３に示されるスプラインナット１２は、その内部に複数条の転動体転走路２５を有している。これら複数条の転動体転走路２５は、スプラインナット１２内部に形成されて負荷を受けない無負荷転動体転走路２６と、無負荷転動体転走路２６の両端に形成される一対の戻し路（不図示）と、一対の戻し路をつなぐとともに複数のボール２１がスプラインナット１２の外周面からその一部を覗かせた状態で転走できるように構成される負荷転動体転走面２７とから構成されている。したがって、複数のボール２１は、無負荷転動体転走路２６、一対の戻し路（不図示）及び負荷転動体転走面２７によって構成される転動体転走路２５内を無限に循環できるようになっている。そして、負荷転動体転走面２７上を転走するボール２１は、後述するシリンダケース３０の内周面側に形成される転動体転走面３２上を転走することにもなる。つまり、スプラインナット１２は、シリンダケース３０に形成された転動体転走面３２の形成方向に沿って案内されることになるので、シリンダロッド１０の軸方向のスムーズな往復直線運動が実現されることになる。

以上のように、シリンダロッド１０は、軸方向の往復直線運動を案内するために機能するスプラインナット１２と、このスプラインナット１２に連設される界磁束発生部１３ａ及び作用部１３ｂとによって構成されている。そして、スプラインナット１２の一端側（図１における紙面右側）に複数の永久磁石１１を収納する非磁性材料から成る界磁束発生部１３ａが接続され、他端側（図１における紙面左側）に外部に作用して仕事を行うための剛性の高い作用部１３ｂが接続されている。

一方、シリンダケース３０は、全体が中空円筒形状をした部材であり、シリンダロッド１０を構成する界磁束発生部１３ａの設置位置とちょうど対向する内周面の位置にコイル３１を備えている。このコイル３１は、シリンダロッド１０側に設置される複数の永久磁石１１と協働してリニアモータ部αを構成する部材であり、図示しない電力供給ケーブルから電力の供給を受けて、磁界発生源としての機能を発揮する。

コイル３１は、銅線を巻き回すことによって構成される部材であり、コイル３１への電流を制御することによってコイル３１にＮ極とＳ極を発生させることができるようになっている。シリンダロッド１０には、上述したように、隣り合う永久磁石１１の外側表面に現れる極性が異なるように複数の永久磁石１１が設置されているので、シリンダロッド１０とコイル３１との間でＮ極とＳ極の引っぱりあう力、Ｎ極同士とＳ極同士の反発しあう力が起こり、シリンダロッド１０の往復直線運動が実現することになる。

また、シリンダケース３０の内周面には、シリンダロッド１０が有するスプラインナット１２の設置位置とちょうど対向する位置に、軸方向に延びる複数条の転動体転走面３２が形成されている。これら複数条の転動体転走面３２は、シリンダロッド１０側に設置されるスプラインナット１２と協働してスプライン機構部βを構成する。そして、上述したように、複数条の転動体転走面３２上をスプラインナット１２が有する複数の転動体としてのボール２１が転走することにより、シリンダケース３０内を導通して設置されるシリンダロッド１０の軸方向の往復直線運動がスムーズに案内されることになる。

さらに、シリンダケース３０は、軸方向の両端部であってシリンダロッド１０（界磁束発生部１３ａ及び作用部１３ｂ）と摺接する箇所に、シリンダロッド１０を支承するための軸受３３を有している。この軸受３３には、樹脂軸受又はメタル軸受を採用することができ、かかる軸受３３の採用によって、シリンダロッド１０のスムーズな往復直線運動が実現される。

ところで、本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータでは、駆動力を発生させるリニアモータ部αが発熱源となるため、効果的に放熱を行う機構の採用を行うことによって高効率・高性能のロッドリニアアクチュエータが実現できる。すなわち、磁束はコイル３１周辺から永久磁石１１にわたって発生するが、シリンダケース３０内には、この磁束に応じた損失熱が発生すると同時にコイル３１自身の電流損としての発熱も加わる。そして、ロッドリニアアクチュエータにおけるリニアモータ部αでの発熱対策は、リニアモータの小型化・高性能化を実現する上で不可欠である。

そこで、本実施形態に係るシリンダケース３０では、コイル３１が設置される位置の外周面に放熱用のフィン３４を複数設けることとした。発熱源となるコイル３１周辺の磁束発生領域近傍、すなわちシリンダケース３０の外周面に複数のフィン３４を設けることによって、外気との接触面積が拡大するので、効果的な放熱が実現されることになる。

なお、本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータでは、リニアモータ部αで発生する熱がスプライン機構部β側に伝わることによる不具合の発生を未然に防止するため、リニアモータ部αとスプライン機構部βとの間に断熱材を設置することとした。

具体的な構成を説明すると、本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータのシリンダケース３０側では、コイル３１と転動体転走面３２をシリンダケース３０の軸方向において重畳しないように設置及び形成することとし、さらに、シリンダケース３０におけるコイル３１と転動体転走面３２との設置部材を分割した上で、その間に断熱材３５を設置するように構成した。このように、シリンダケース３０の構成部材をリニアモータ部α側とスプライン機構部β側とで完全に分割し、その間に断熱材３５を設置することによって、スプライン機構部β側への確実な熱の遮断が可能となる。

一方、シリンダロッド１０側では、シリンダロッド１０を構成するスプラインナット１２の少なくともコイル３１設置側の側面に、断熱材１５を設置することにより、コイル３１から空気中を伝わってくる熱や永久磁石１１から伝わる熱を効果的に遮断することができる。このような構成の採用によって、本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータでは、２箇所設置される断熱材１５，３５の効果によってスプライン機構部β側への確実な熱の遮断が行われるので、熱影響によるスプライン機構部βの不具合発生が防止され、スムーズな動作の実現と装置の高効率化、装置寿命の増大効果が発揮される。

上述したように、本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータは、シリンダケース３０の内周面に複数条の転動体転走面３２を形成したので、スプラインナット１２を駆動部材であるシリンダロッド１０側に設置することが可能となった。これにより、シリンダロッド１０は、リニアモータの軽量化・高性能化を実現するための非磁性材料から成る界磁束発生部１３ａと、外部に対して高剛性の仕事を行うことが可能な剛性の高い金属材料から成る作用部１３ｂとを備えることが可能となった。さらに、複数のフィン３４の設置によってリニアモータ部α周辺の効果的な放熱が可能となったので、本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータは、従来技術では実現できなかった高性能のロッドリニアアクチュエータを実現している。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。

例えば、上述した本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータでは、隣り合う永久磁石１１の外側表面に現れる極性が異なるように複数の永久磁石１１を設置した上で、コイル３１への電流を制御することによってコイル３１にＮ極とＳ極を発生させ、シリンダロッド１０とコイル３１との間でＮ極とＳ極の引っぱりあう力、Ｎ極同士とＳ極同士の反発しあう力を起こすことによって、シリンダロッド１０の往復直線運動を実現した場合を説明した。

しかしながら、本発明に係るロッドリニアアクチュエータの作動原理は、上述したものに限られるものではなく、例えば、図４によって示される作動原理によっても駆動することが可能である。ここで、図４は、本発明に係るロッドリニアアクチュエータに適用可能な別の作動原理を説明するための模式図である。

図４で示す別の作動原理では、シリンダロッド１０に設置される複数の永久磁石１１は、それぞれ互いに同極が向き合うように、すなわちＮ極とＮ極が、Ｓ極とＳ極とが対向するように積層されている。一方、コイル３１は、３つでＵ・Ｖ・Ｗ相を形成する一組の三相コイルが最小の設置単位となり、この三相コイルを複数組み合わせることによってコイルユニットが形成されている。そして、Ｕ・Ｖ・Ｗ相の三相に分けた複数のコイル３１に１２０°ずつ位相が異なる三相電流を流すことによって、シリンダロッド１０が軸線方向に移動するための移動磁界をコイル３１に発生させる。このようにして発生した移動磁界により推力を得ることによって、シリンダロッド１０は移動磁界の速さに同期した直線運動が可能となる。

また、上述した本実施形態では、スプラインナット１２が有する複数の転動体をボール２１として構成した場合を例示して説明したが、ボール２１に代えてローラを用いるようにしても良い。

さらに、本実施形態では、複数の永久磁石１１を接着剤によって固定する場合を例示して説明したが、永久磁石１１の周囲を取り囲むように設置される非磁性材料から成る界磁束発生部１３ａにカシメ加工などを行うことによって、複数の永久磁石１１を積み重ねた状態で固定設置するようにしても良い。

またさらに、本実施形態では、スプラインナット１２の両側に連接される界磁束発生部１３ａと作用部１３ｂをほぼ同じ太さの径で構成した場合を例示して説明したが、界磁束発生部１３ａと作用部１３ｂの大きさは異なっていても良い。すなわち、界磁束発生部１３ａと作用部１３ｂの径の大きさや長さ寸法については任意に変更することが可能であり、界磁束発生部１３ａについては所望の出力などに応じて、作用部１３ｂについては外部の作用対象物の大きさや形状等に基づいて、任意に決定すれば良い。

さらにまた、図１や図４で示した永久磁石１１とコイル３１の幅寸法や設置数については、本発明に係るロッドリニアアクチュエータが取り得る一形態を例示したものである。したがって、永久磁石１１やコイル３１の幅寸法や設置数、あるいはこれらの配置関係等については、ロッドリニアアクチュエータに要求される動作性能や設置環境等に応じて任意に変更が可能である。

その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータの全体構成を説明するための縦断面正面図である。 本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータが備えるリニアモータ部の構成を説明するための縦断面側面図であり、特に、図１におけるＡ−Ａ断面を示している。 本実施形態に係るロッドリニアアクチュエータが備えるスプライン機構部の構成を説明するための縦断面側面図であり、特に、図１におけるＢ−Ｂ断面を示している。 本発明に係るロッドリニアアクチュエータに適用可能な別の作動原理を説明するための模式図である。

符号の説明

１０ シリンダロッド、１１ 永久磁石、１２ スプラインナット、１３ａ 界磁束発生部、１３ｂ 作用部、１５ 断熱材、２１ ボール、２５ 転動体転走路、２６ 無負荷転動体転走路、２７ 負荷転動体転走面、３０ シリンダケース、３１ コイル、３２ 転動体転走面、３３ 軸受、３４ フィン、３５ 断熱材、α リニアモータ部、β スプライン機構部。

Claims (6)

1. 複数の永久磁石を備えることによって界磁束発生源となるシリンダロッドと、
   コイルを備えることによって磁界発生源となるシリンダケースと、
   を備え、
   前記複数の永久磁石が前記シリンダロッドの軸方向に積み重ねられてそれぞれが固定されることにより、前記シリンダケースに設置される前記シリンダロッドが軸方向に往復直線運動自在とされるロッドリニアアクチュエータにおいて、
   前記シリンダケースの内周面には、軸方向に延びる複数条の転動体転走面が形成されており、
   前記シリンダロッドには、複数の転動体を転動自在に収納するスプラインナットが固定設置されており、
   前記スプラインナットに収納される前記複数の転動体が、前記シリンダケースの内周面に形成された前記転動体転走面に沿って転走することにより、前記シリンダロッドの往復直線運動が案内され、
   前記コイルと前記転動体転走面は、前記シリンダケースの軸方向において重畳しないように設置及び形成されており、
   前記シリンダロッドは、
   前記スプラインナットと、
   前記スプラインナットの一方に接続されるとともに前記コイルに対向配置される界磁束発生部と、
   前記スプラインナットの他方に接続される作用部と、
   から構成されることを特徴とするロッドリニアアクチュエータ。
2. 請求項１に記載のロッドリニアアクチュエータにおいて、
   前記界磁束発生部は、内部に前記複数の永久磁石を収納可能な非磁性材料によって構成され、
   前記作用部は、金属材料によって構成されていることを特徴とするロッドリニアアクチュエータ。
3. 請求項１又は２に記載のロッドリニアアクチュエータにおいて、
   前記シリンダケースの軸方向端部であって前記シリンダロッドと摺接する箇所に、樹脂軸受又はメタル軸受が設置されていることを特徴とするロッドリニアアクチュエータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のロッドリニアアクチュエータにおいて、
   前記シリンダケースの少なくとも前記コイルが設置される位置の外周面には、放熱用のフィンが複数形成されていることを特徴とするロッドリニアアクチュエータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のロッドリニアアクチュエータにおいて、
   前記シリンダケースにおける前記コイルと前記転動体転走面との間には、断熱材が設置されていることを特徴とするロッドリニアアクチュエータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のロッドリニアアクチュエータにおいて、
   前記シリンダロッドに固定設置される前記スプラインナットの少なくとも前記コイル設置側の側面には、断熱材が設置されていることを特徴とするロッドリニアアクチュエータ。

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