JP5756304B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明はリニアアクチュエータに関し、詳しくは、回転運動を直線運動に変換するリニアアクチュエータに関する。

従来、例えばモータの回転運動を出力軸の直線運動に変換するリニアアクチュエータが知られている。

例えば特許文献１のリニアアクチュエータでは、出力軸の外周にネジを切るとともに、モータのロータに固定した受け側のナットの内周にネジを切り、このネジ同士の噛み合いによって回転運動を軸方向の直線運動に変換している。

また、特許文献２には、ロータと出力軸との間にボールネジを設け、これによって回転運動を軸方向の直線運動に変換している。

特開２００２−１２２２０３号公報 特開２００２−３７２１１７号公報

ところで、特許文献１に記載のリニアアクチュエータでは、ロータの回転運動を、ネジ部で出力軸に伝達しているが、このネジ部では、摩擦抵抗が大きいことにより効率が悪くモータのトルクが十分に伝わらない虞があった。

また、特許文献２に記載のように、ボールネジを用いた構造においては、出力軸であるシャフトにボールネジを切るとともに、ナットに相当する箇所にもボール溝を形成し、さらにボールがネジ部から脱落しないようにボールを循環させるなど複雑な構造を取る必要があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、簡素な構造であり小さなトルクでも大きな推力が発生するリニアアクチュエータを提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、本発明は、モータの回転運動を出力軸であるスクリューの直線運動に変換するリニアアクチュエータであって、前記モータの中空のロータの内周に沿って複数のボールを保持するリテーナを前記スクリューの軸方向に複数設け、前記スクリューの外周にボールネジを形成し、前記ボールネジに対応する位置に等間隔に複数の貫通孔を前記リテーナの周上にらせん状に配設して、前記複数のボールを前記複数の貫通孔にそれぞれ保持し、前記複数のリテーナのそれぞれが保持する前記複数のボールは５個以上の奇数個であり、前記ボールを前記ボールネジに噛み合わせて、前記スクリューを前記ロータと同軸に配し、前記ロータの回転運動に伴う該ロータの内周面に沿った前記ボールの回転により、前記ボールネジを有する前記スクリューを直線運動させることを特徴とする。

また本発明は、前記リテーナは前記スクリューの軸方向に２個設け、各リテーナは１列の配置で前記ボールを保持していることを特徴とする。

また本発明は、前記ロータの回転方向に、前記スクリューが回転しないように止める回転止め部材が、前記スクリューの直線運動の前進端および後進端を規定するストッパ部を兼ねることを特徴とする。

また本発明は、前記回転止め部材が、前記スクリューが貫通する、該スクリューの軸方向とほぼ垂直な断面形状が多角形のブロックであることを特徴とする。

また本発明は、前記回転止め部材が、前記スクリューに対して該スクリューの軸方向とほぼ垂直な方向に挿入されたピンであることを特徴とする。

また本発明は、前記リテーナがリング形状であることを特徴とする。

本発明によれば、簡素な構造であり小さなトルクでも大きな推力が発生するリニアアクチュエータを提供することができる。

すなわち、本発明は、ボールネジ方式とし、ロータ内径側にボール溝を形成することなくボールを支えるリテーナを組み付けることにより簡素な構造で小さなトルクでも大きな推力が発生する構造にした。

また、従来のネジナットによる単なる噛み合わせの場合には摩擦抵抗が大きいのに対して、本発明では、ネジとボールとの噛み合わせに加えてボールが転がることによって摩擦抵抗を低減することができるのでトルク効率を改善することができる。

また、本発明によれば、部品点数が少なく、組み付け工数がかからず、精度を維持することができる。

また、本発明のリテーナは様々な形状とすることができ、生産性に優れている。

また、ボールの材質の選択幅は広く、金属、セラミック、樹脂等でよく、生産性に優れている。

また、出力軸が回転しないように止める回転止め部材は、出力軸の前後進端のストッパ部を兼用し、組み付け安い構造となっているので、組み付け工数の削減コスト生産性に優れている。

本発明によるリニアアクチュエータの第一の実施の形態を示す、出力軸位置での側断面図である。 図１に示したリニアアクチュエータ１００のＩＩ−ＩＩ断面図である。 図１に示したリテーナ１２がボール１３を保持した状態を示す斜視図である。 図１に示したリニアアクチュエータ１００のリテーナ１２の近傍を示す図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）はスクリュー１０の中心軸位置での（ａ）の断面図である。 本発明によるリニアアクチュエータの第二の実施の形態を示す、出力軸位置での側断面図である。 図５に示したリニアアクチュエータ１１００のＶＩ−ＶＩ断面図である。 本発明によるリニアアクチュエータの第三の実施の形態を示す、出力軸位置での側断面図である。 図７に示したリニアアクチュエータ２１００のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。 図７に示したリボンリテーナ２１２がボール２１３を保持した状態を示す斜視図である。 図７に示したリニアアクチュエータ２１００のリボンリテーナ２１２の近傍を示す図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）はスクリュー１０の中心軸位置での（ａ）の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明によるリニアアクチュエータの第一の実施の形態を示す、出力軸位置での側断面図である。

本実施の形態のリニアアクチュエータ１００は、端子４を介して電源供給されるコイル５をコイルボビン３に巻回し、さらに内周に極歯を持つように軟磁性鋼板を板金加工にて構成したステータヨークを設けて円筒状のステータ６を構成する。

ステータ６は、フロントハウジング１およびエンドハウジング１１に固定されて収容される。中空のステータ６内には、ベアリング（軸受け）８を介して円筒状のロータスリーブ９が配置され、ロータスリーブ９はステータ６に対して回転可能にされる。ロータスリーブ９の外周には円筒状のマグネット（界磁磁石）７が例えば嵌挿により固定されて設けられる。

ロータスリーブ９の中空内には、ロータスリーブ９と同軸に、出力軸であるスクリュー１０が配置される。このスクリュー１０の外周にはボールネジ１０ａが形成されている。ロータスリーブ９の内周には、球体であるボール１３を保持する円筒状のリテーナ１２が例えば嵌挿により固定されて設けられる。本実施の形態では、スクリュー１０の軸方向の２箇所に２つのリテーナ１２を設ける。リテーナ１２の数は２つに限らず、３つ以上であってもかまわない。リテーナ１２が保持するボール１３は、スクリュー１０のボールネジ１０ａに噛み合う。

また、スクリュー１０には、軸方向とほぼ垂直な方向にピン２が挿入されている。

図２は、図１に示したリニアアクチュエータ１００のＩＩ−ＩＩ断面図である。

図２に示すように、スクリュー１０に挿入されたピン２は、径方向でスクリュー１０の外周よりも突出しており、一方、スクリュー１０を覆うフロントハウジング１の内周は、スクリュー１０の外周よりも大径であり、且つスクリュー１０から突出するピン２の端部よりも小径にしてある。さらに、フロントハウジング１の内面形状はピン２に対応する位置にスリット１ａを有する。スリット１ａは、ピン２の形状とほぼ同形状で軸方向に奥行きのあるスリットである。ピン２は、このスリット１ａから外れることができず、これにより、スクリュー１０は軸回転できずに、軸方向での前進、後進のみが可能とされる。また、スクリュー１０の前進端および後進端においては、フロントハウジング１及びロータスリーブ９がピン２に当接する当接部（すなわちスリット１ａの先端および後端）を有しており、これにピン２が当接することによってスクリュー１０の前進端および後進端を規定している。すなわち、スクリュー１０が回転しないように止める回転止め部材であるピン２が、スクリュー１０の直線運動の前進端および後進端を規定するストッパ部を兼ねている。

なお、出力軸の前進端、後退端でのロック防止のため、当接部にスプリングやワッシャなどを設置してもよい。

次に、図１に示したリテーナ１２について説明する。

図３は、図１に示したリテーナ１２がボール１３を保持した状態を示す斜視図である。

また、図４は、図１に示したリニアアクチュエータ１００のリテーナ１２の近傍を示す図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）はスクリュー１０の中心軸位置での（ａ）の断面図である。

リテーナ１２には複数の貫通孔１２ａを設けており、この複数の貫通孔１２ａは、リテーナ１２の周上等間隔に、スクリュー１０のボールネジ１０ａに対応する位置に設けている。したがって、貫通孔１２ａはリテーナ１２の周上にらせん状に配置される。

リテーナ１２の外周側から貫通孔１２ａにボール１３を嵌め込むと、ボール１３の先端はリテーナ１２の内周よりも内側に突出し、このボール１３の突出した箇所がスクリュー１０のボールネジ１０ａに噛み合う。

リテーナ１２はボール１３を保持するものであり、リテーナ１２をロータスリーブ９に組み付けた後はボール１３が外れることはない。ロータスリーブ９にリテーナ１２が固定され、ロータスリーブ９の回転をボール１３の点接触を通してスクリュー１０に伝える。

リテーナ１２の貫通孔１２ａの数、すなわち、ボール１３の数は、本実施の形態では７個にしたが、本発明はこれに限られるものではない。ボール１３は、スクリュー１０のボールネジ１０ａの外周をガタツキなく支持することが望ましい。しかしながら、リテーナ１２を配置する関係上、ボール１３の数を際限なく多くすることは不可能である。そこで、数少ない数量で精度、負荷的に安定させるよう、ボール１３の数は奇数とするのが望ましい。ボール１３の数が偶数であると、横方向（軸と垂直な方向）の加重がかかった場合、対称な位置ができて、１個のボール１３に負荷がかかることがある。これに対して、ボール１３の数を奇数にすると、少なくとも２個以上に負荷がかかり、力を分散することができる。このことから、ボール１３の数は、３個では支えきれない、４個では１個に集中する場合がる、偶数だと対称がでるので、好ましくは、最低でも５個となり、５個以上の奇数個が望ましい。

本実施の形態では、マグネット７及び金属製（ステンレス、アルミなど）のロータスリーブ９を配した中空軸ロータ内部に、リテーナ（ボール受け）１２を接着、嵌挿、あるいは、その他の何らかの方法で固定一体化できるので、ロータスリーブ９の内周面とマグネット７外周の同軸を取るだけでよいので精度良く少ない工数で組み立てることができる。

なお、ボール１３を保持するリテーナ１２の材質は限定しないが、金属製あるいは、例えばポリアセタール（ＰＯＭ）やポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）のような耐摩耗性樹脂製でボールが内側に落ちない構造になっているのが望ましく、この構造によれば組み付けが簡単である。

次に、本発明の別の実施の形態について説明する。

図５は、本発明によるリニアアクチュエータの第二の実施の形態を示す、出力軸位置での側断面図である。

本実施の形態のリニアアクチュエータ１１００は、２つのリテーナ１２の代わりに１つのリテーナ１１２を設けた点、およびピン２の代わりにブロック１４を設けた点、以外については、図１に示した第一の実施の形態のリニアアクチュエータ１００と同様であるので、同じ参照番号を付し、詳しい説明を省略する。

ロータスリーブ９の中空内には、ロータスリーブ９と同軸に、出力軸であるスクリュー１０が配置される。このスクリュー１０の外周にはボールネジ１０ａが形成されている。ロータスリーブ９の内周には、球体であるボール１１３を保持する円筒状のリテーナ１１２が例えば嵌挿により固定されて設けられる。リテーナ１１２が保持するボール１１３は、スクリュー１０のボールネジ１０ａに噛み合う。

図３に示したリテーナ１２では、スクリュー１０の外周を１周する１列の配置でボール１３を保持する構造を示したが、本実施の形態のリテーナ１１２では、スクリュー１０の外周を複数周する複数列の配置でボール１１３を保持する。図５に示した例では、リテーナ１１２は７列のボール１１３を保持している。

また、本実施の形態では、ピン２の代わりにブロック１４を設けている。スクリュー１０は、軸方向とほぼ垂直な方向の断面形状が多角形（本実施の形態では四角形）であるブロック１４に挿入されている。

図６は、図５に示したリニアアクチュエータ１１００のＶＩ−ＶＩ断面図である。

図６に示すように、スクリュー１０が挿入されたブロック１４は、径方向でスクリュー１０の外周よりも突出しており、一方、スクリュー１０を覆うフロントハウジング１０１の内面は、スクリュー１０の外周よりも大径であって、フロントハウジング１０１の内面形状はブロック１４の断面形状と同じ形状の多角形孔１０１ａを有する。ブロック１４は、この多角形孔１０１ａから外れることができず、これにより、スクリュー１０は軸回転できずに、軸方向での前進、後進のみが可能とされる。また、スクリュー１０の前進端および後進端においては、フロントハウジング１及びロータスリーブ９がブロック１４に当接する当接部（すなわち多角形孔１０１ａの先端および後端）を有しており、これにブロック１４が当接することによってスクリュー１０の前進端および後進端を規定している。すなわち、スクリュー１０が回転しないように止める回転止め部材であるブロック１４が、スクリュー１０の直線運動の前進端および後進端を規定するストッパ部を兼ねている。

ブロック１４は、例えば２つ割れのブロックをスクリュー１０の径小部に挟んで固定するものでよく、この構成で、回転止めと抜け止め（直線運動の前進端および後進端の規定）の両方に効果があり、簡単に組み付けられる。

なお、出力軸の前進端、後退端でのロック防止のため、当接部にスプリングやワッシャなどを設置してもよい。

次に、本発明のさらに別の実施の形態について説明する。

図７は、本発明によるリニアアクチュエータの第三の実施の形態を示す、出力軸位置での側断面図である。

本実施の形態のリニアアクチュエータ２１００は、２つのリテーナ１２の代わりに２つのリボンリテーナ２１２を設けた点以外については、図１に示した第一の実施の形態のリニアアクチュエータ１００と同様であるので、同じ参照番号を付し、詳しい説明を省略する。

ロータスリーブ９の中空内には、ロータスリーブ９と同軸に、出力軸であるスクリュー１０が配置される。このスクリュー１０の外周にはボールネジ１０ａが形成されている。ロータスリーブ９の内周には、球体であるボール２１３を保持するリボンリテーナ２１２が固定されて設けられる。本実施の形態では、スクリュー１０の軸方向の２箇所に２つのリボンリテーナ２１２を設ける。リボンリテーナ２１２の数は２つに限らず、３つ以上であってもかまわない。リボンリテーナ２１２が保持するボール２１３は、スクリュー１０のボールネジ１０ａに噛み合う。

また、スクリュー１０には、軸方向とほぼ垂直な方向にピン２が挿入されている。

図８は、図７に示したリニアアクチュエータ２１００のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。

図８に示すように、スクリュー１０に挿入されたピン２は、径方向でスクリュー１０の外周よりも突出しており、一方、スクリュー１０を覆うフロントハウジング１の内周は、スクリュー１０の外周よりも大径であり、且つスクリュー１０から突出するピン２の端部よりも小径にしてある。さらに、フロントハウジング１の内面形状はピン２に対応する位置にスリット１ａを有する。スリット１ａは、ピン２の形状とほぼ同形状で軸方向に奥行きのあるスリットである。ピン２は、このスリット１ａから外れることができず、これにより、スクリュー１０は軸回転できずに、軸方向での前進、後進のみが可能とされる。また、スクリュー１０の前進端および後進端においては、フロントハウジング１及びロータスリーブ９がピン２に当接する当接部（すなわちスリット１ａの先端および後端）を有しており、これにピン２が当接することによってスクリュー１０の前進端および後進端を規定している。すなわち、スクリュー１０が回転しないように止める回転止め部材であるピン２が、スクリュー１０の直線運動の前進端および後進端を規定するストッパ部を兼ねている。

なお、出力軸の前進端、後退端でのロック防止のため、当接部にスプリングやワッシャなどを設置してもよい。

次に、図７に示したリボンリテーナ２１２について説明する。

図９は、図７に示したリボンリテーナ２１２がボール２１３を保持した状態を示す斜視図である。

また、図１０は、図７に示したリニアアクチュエータ２１００のリボンリテーナ２１２の近傍を示す図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）はスクリュー１０の中心軸位置での（ａ）の断面図である。

リボンリテーナ２１２は、例えば鋼板をプレス成形した２つの部品であるリテーナ片２１４および２１５からなる。

リテーナ片２１４は、スクリュー１０の周上等間隔にボール２１３を保持するようにボール２１３の形状に応じて湾曲したボール保持部２１４ａと、隣接するボール保持部２１４ａ同士を繋ぐ平板部２１４ｂとを有する。

また、リテーナ片２１５は、スクリュー１０の周上等間隔にボール２１３を保持するようにボール２１３の形状に応じて湾曲し、ボール保持部２１４ａに対向するボール保持部２１５ａと、隣接するボール保持部２１５ａ同士を繋ぐ平板部２１５ｂとを有する。

複数（本実施の形態では７個）のボール２１３は、ボール保持部２１４ａとボール保持部２１５ａとで挟み込まれ、この状態でリテーナ片２１４とリテーナ片２１５とを例えばかしめて固定する。

リボンリテーナ２１２に保持されたボール２１３は、スクリュー１０のボールネジ１０ａに対応する位置に配置される。すなわち、リボンリテーナ２１２は、スクリュー１０のボールネジ１０ａのらせんと一致した、らせん形状に形成される。

本実施の形態では、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、ロータスリーブ９の内周面に、リボンリテーナ２１２が保持するボール２１３に応じた位置に、ボール２１３に応じた形状の溝１５を形成している。ボール２１３が溝１５に嵌まることによって、リボンリテーナ２１２は、ロータスリーブ９に固定され（接着等で固定してもよい）、ロータスリーブ９の回転とともにリボンリテーナ２１２も回転する。

なお、本実施の形態ではロータスリーブ９の内周面に溝１５を設けているが、本発明はこれに限られるものではなく、ロータスリーブ９の内周面に溝１５を設けずに、ロータスリーブ９に対し、ボール２１３を保持するリボンリテーナ２１２を接着等で固定してもよい。

リボンリテーナ２１２はボール２１３を保持するものであり、リボンリテーナ２１２からボール１３が外れることはない。ロータスリーブ９にリボンリテーナ２１２が固定され、ロータスリーブ９の回転をボール２１３の点接触を通してスクリュー１０に伝える。

リボンリテーナ２１２のボール保持部２１４ａおよび２１５ａの数、すなわち、ボール２１３の数は、本実施の形態では７個にしたが、本発明はこれに限られるものではない。第一の実施の形態と同様に、ボール２１３の数は、５個以上の奇数個が望ましい。

本実施の形態によれば、リボンリテーナ２１２を用いることで、ボール２１３はボール保持部２１４ａおよび２１５ａで保持され、内周側・外周側いずれにも落ちることはない。

以上、本発明によるリニアアクチュエータを説明したが、本発明は、この説明に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で数々の変形および組み合わせが出来ることは勿論であり、各実施の形態の構成の各種組合せも本発明に含まれるものである。

１、１０１ フロントハウジング
１ａ スリット
１０１ａ 多角形孔
２ ピン
３ コイルボビン
４ 端子
５ コイル
６ ステータ
７ マグネット（界磁磁石）
８ ベアリング（軸受け）
９ ロータスリーブ
１０ スクリュー（出力軸）
１０ａ ボールネジ
１１ エンドハウジング
１２、１１２ リテーナ
１２ａ 貫通孔
２１２ リボンリテーナ
２１４、２１５ リテーナ片
２１４ａ、２１５ａ ボール保持部
２１４ｂ、２１５ｂ 平板部
１３、１１３、２１３ ボール
１４ 多角形ブロック
１５ 溝
１００、１１００、２１００ リニアアクチュエータ

Claims (6)

1. モータの回転運動を出力軸であるスクリューの直線運動に変換するリニアアクチュエータであって、
   前記モータの中空のロータの内周に沿って複数のボールを保持するリテーナを前記スクリューの軸方向に複数設け、
   前記スクリューの外周にボールネジを形成し、
   前記ボールネジに対応する位置に等間隔に複数の貫通孔を前記リテーナの周上にらせん状に配設して、前記複数のボールを前記複数の貫通孔にそれぞれ保持し、
   前記複数のリテーナのそれぞれが保持する前記複数のボールは５個以上の奇数個であり、
   前記ボールを前記ボールネジに噛み合わせて、前記スクリューを前記ロータと同軸に配し、前記ロータの回転運動に伴う該ロータの内周面に沿った前記ボールの回転により、前記ボールネジを有する前記スクリューを直線運動させることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記リテーナは前記スクリューの軸方向に２個設け、各リテーナは１列の配置で前記ボールを保持していることを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
3. 前記ロータの回転方向に、前記スクリューが回転しないように止める回転止め部材が、前記スクリューの直線運動の前進端および後進端を規定するストッパ部を兼ねることを特徴とする請求項１または２に記載のリニアアクチュエータ。
4. 前記回転止め部材が、前記スクリューが貫通する、該スクリューの軸方向とほぼ垂直な断面形状が多角形のブロックであることを特徴とする請求項３に記載のリニアアクチュエータ。
5. 前記回転止め部材が、前記スクリューに対して該スクリューの軸方向とほぼ垂直な方向に挿入されたピンであることを特徴とする請求項３に記載のリニアアクチュエータ。
6. 前記リテーナがリング形状であることを特徴とする請求項１ないし５のうちのいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。

Images