JP5993569B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、出力軸のヘッド部の構造に特徴のあるリニアアクチュエータに関する。

例えば、特許文献１には、車両用点灯具におけるリフレクタを動かす機構において、リニアアクチュエータの出力軸のヘッドの部分が接続されるクリップの部分に、振動の吸収機能を持たせた構造が記載されている。

特開２００７−４２２８８号公報

特許文献１に記載の構造は、リニアアクチュエータの出力軸を受ける側の構造を工夫することで、振動の吸収機能を持たせたものであるが、受け側の構造を変更しなくてはならず、また複雑な構造を必要とするので、汎用性に欠ける。このような背景において、本発明は、リニアアクチュエータの出力軸のヘッドの構造において、出力軸と動かす対象物との間で伝わる振動を吸収する技術を提供する。

請求項１に記載の発明は、出力軸と、前記出力軸を直線方向に移動させるリニア駆動機構と、前記出力軸の先端に設けられたヘッドと、前記ヘッドに設けられ、前記ヘッドから突出する弾性体とを備え、前記ヘッドの周囲であって該ヘッドが移動する方向と直交する方向の最も外側に円周溝が設けられ、該円周溝に、前記弾性体として該ヘッドを構成する部材よりも軟らかい材質で構成されたＯリングが該ヘッドから突出する状態に嵌め込まれていることを特徴とするリニアアクチュエータである。

請求項１に記載の発明によれば、ヘッドを変形し難い材質のもので構成することができるので、ヘッドの変形に起因する位置決め精度の低下を抑えることができる。他方において、ヘッドよりも軟らかい材質で構成され、ヘッドから突出する弾性体により、ヘッドと該ヘッドに接触する部材との間で伝わる衝撃や振動が吸収される。また、ヘッドが移動する方向と直交する方向に突出している弾性体（Ｏリング）の変形により、ヘッドの軸方向における動きが緩衝され、位置決めの精度が低下する現象が抑えられる。また、簡素な構造により、ヘッドからアタッチメントに加わる衝撃や振動の吸収が効果的に行われる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ヘッドがアタッチメントの収容空間に収められた状態において、前記弾性体は、前記収容空間の内周に接触し、変形することを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、弾性体がアタッチメントの収容空間の内周に接触して変形することで、ヘッドからアタッチメントに加わる衝撃や振動の吸収が効果的に行われる。また、ヘッドをアタッチメントの収容空間にガタの無い状態で収めることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記弾性体がゴムまたは樹脂により構成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記リニア駆動機構は、ステータユニットと、該ステータユニットの内側に配置されて回転可能に支持されたロータユニットと、該ロータユニットの内側に設けられた雌螺子部と、該雌螺子部と螺合し、前記出力軸と結合した雄螺子部を備え、前記ロータユニットの回転運動が直線運動に変換されて前記出力軸が直線運動を行うことを特徴とする。請求項４に記載の発明によれば、螺子の噛み合い構造を利用することで、高精度のリニア駆動を行うことができる。

本発明によれば、リニアアクチュエータの出力軸のヘッドの構造において、出力軸と動かす対象物との間で伝わる振動を吸収する技術が提供される。

実施形態のリニアアクチュエータの断面図である。 図１のＡ−Ａ’の線で切断した断面図である。

（構成）
図１には、実施形態のリニアアクチュエータ１が示されている。リニアアクチュエータ１は、雄螺子と雌螺子の噛み合いを利用したリニア駆動機構を有している。リニアアクチュエータ１は、ハウジング２、ピンホルダ３およびステータアッシー４を有している。ハウジング２、ピンホルダ３およびステータアッシー４は、一体化されて、リニアアクチュエータ１の筐体を構成している。

ハウジング２、ピンホルダ３およびステータアッシー４は、樹脂を原料としたモールド成形（射出成形）により形成されている。ハウジング２、ピンホルダ３およびステータアッシー４により構成される筐体の内側には、ステータユニット１０が固定されている。ステータユニット１０は、略筒形状を有しており、内側に後述するロータユニット３０を回転自在な状態で収めている。ステータユニット１０は、ステータヨーク１１、ステータヨーク１２、ボビン１３、コイル（界磁コイル）１４、コイルカバー１５、ボビン１６、コイル（界磁コイル）１７およびコイルカバー１８から構成されている。

ステータヨーク１１，１２は、クローポール型のステッピングモータのステータヨークであり、軸方向に分離された構造を有している。図からは明らかでないが、ステータヨーク１１,１２は軸方向に延在した複数の極歯（図示せず）を備え、この極歯同士が隙間を隔てて互い違いに噛み合う構造を有している。符号２３は、この隙間の一部である。この隙間の部分にコイル１４，１７が生成する磁束の磁路が形成される。このステータヨーク１１，１２の極歯は、周方向で隙間を隔てて隣接するので、この隙間における磁路は、後述するロータユニット３０外周の周方向の成分を有したものとなる。

ステータヨーク１１の内側には、樹脂製のボビン１３が配置されている。ボビン１３には、界磁コイルとなるコイル１４が巻回されている。同様に、ステータヨーク１２の内側には、樹脂製のボビン１６が配置され、ボビン１６には、界磁コイルとなるコイル１７が巻回されている。コイルカバー１５は、ボビン１３に巻回されたコイル１４の外側をカバーし、コイルカバー１８は、ボビン１６に巻回されたコイル１７の外側をカバーする。ボビン１３には、電極端子１９が固定され、ボビン１６には、電極端子２０が固定されている。電極端子１９，２０には、コイル１４，１７を構成する巻線（マグネットワイヤ）の端部が接続され、更に電極端子１９，２０は、回路基板２１上の配線パターンに接続されている。回路基板２１上の配線パターンは、外部接続用電極部２２に接続されている。この外部接続用電極部２２にリニアアクチュエータ１を駆動する駆動電流（駆動信号）を供給するための配線が接続される。

ステータユニット１０の内側には、ステータユニット１０に対して回転自在な状態を有したロータユニット３０が配置されている。ロータユニット３０は、ロータマグネット３１、ロータマグネット固定部材３２、ロータ部材３３および雌螺子部３４により構成されている。ロータマグネット３１は、周方向において極性が交互に反転するように着磁された円筒形状の永久磁石である。ロータマグネット固定部材３２は、ロータマグネット３１を保持する部材であり、一部がロータ部材３３に埋め込まれている。ロータ部材３３は、略筒形状を有した樹脂のモールド成形品である。ロータ部材３３には、雌螺子部３４とロータマグネット固定部材３２が埋め込まれている。雌螺子部３４は、内側に雌螺子構造が形成されたナットであり、ロータ部材３３の内側に固定されている。ロータ部材３３は、ロータマグネット３１、ロータマグネット固定部材３２および雌螺子部３４をインサート材としたモールド成形により形成されている。このモールド成形により、ロータ部材３３にロータマグネット３１、ロータマグネット固定部材３２および雌螺子部３４が一体化された構造が得られている。

ロータ部材３３は、軸受４７によってステータアッシー４に回転自在な状態で保持され、軸受４８によってハウジング２に回転自在な状態で保持されている。軸受４７，４８により、ロータユニット３０がステータユニット１０に対して回転可能な状態とされている。

雌螺子部３４の内側には、雄螺子部４１が螺合している。雄螺子部４１は、長尺ロッド状の出力軸４２の一部であり、外周に雄螺子構造が刻まれた円柱構造を有している。出力軸４２は、一部がリニアアクチュエータ１の内部（ハウジング２、ピンホルダ３およびステータアッシー４により構成される筐体の内側）に納まり、他の部分が外部（図１の左側）に露出している。そして、出力軸４２の露出した部分の先端にヘッド５１が取り付けられている。

ヘッド５１は、樹脂により構成されている。ヘッド５１の内側に出力軸４２の先端が差し込まれ、ヘッド５１は、固定ピン４９により出力軸４２に固定されている。ヘッド５１の先端は、略球形を有し、その外周には、軸回りの方向に延在する円周溝５２が設けられている。円周溝５２の内部には、ゴム製のОリング５３が嵌め込まれている。Оリング５３は、円周溝５２に完全に納まっておらず、その一部は円周溝５２から突出している。ここで、Оリング５３は、ヘッド５１が移動する方向と直交する方向にヘッド５１の表面から突出している。

Оリング５３は、弾性を有する樹脂、合成ゴム、シリコーンゴム等により構成されているが、その材質は限定されない。ただし、Оリング５３を構成する材料は、ヘッド５１を構成する樹脂よりも軟らかい材質が選択されている。つまり、ヘッド５１を構成する材料とОリング５３を構成する材料とを比較した場合、同じ外力を加えた際に、後者の方がより変形し易い材質が選択されている。

図１に示すように、ヘッド５１は、アタッチメント６０に接触する。アタッチメント６０は、動かす対象となる対象物に出力軸４２の動きを伝えるための部材である。アタッチメント６０が対象物に固定され、出力軸４２がアタッチメント６０を押すまたは引くことで、対象物がリニアアクチュエータ１によって押され、あるいは引かれる動作が行われる。

アタッチメント６０には、ヘッド５１先端の略球形の部分を収容するヘッド収容空間６１が設けられている。ヘッド５１は、その先端の略球形の部分の中心を回転中心としてヘッド収容空間６１の内部で回転できる状態で、ヘッド収容空間６１に収容されている。図１では、この回転を許容するための僅かな隙間が誇張して示されている。すなわち、ヘッド５１は、アタッチメント６０に対して多少の自由度がある状態でアタッチメント６０に結合している。ヘッド収容空間６１に納まった状態において、ヘッド５１先端の外周面から外側に一部が突出したОリング５３は、ヘッド収容空間６１の内周に変形した状態（図の上下の方向で潰れた状態）で接触している。ここで示すヘッド５１のアタッチメント６０への結合の構造によれば、例えば、出力軸４２の動きに従って、アタッチメント６０がヘッド５１に対して少し傾いても、リニアアクチュエータ１による駆動が可能な状態で、その傾きが許容される。

図２は、図１におけるＡ−Ａ’の線で切断した断面を軸方向（図１の左側の方向）から見た様子が示されている。図１および図２に示すように、ハウジング２は、出力軸４２を収容する収容部４３を備えている。収容部４３は、図２に示すように軸方向から見て上下に延在し、また図１に示すように軸方向に延在した構造を有している。収容部４３の部分において、出力軸４２には、収容部４３の内側に嵌り、且つ、収容部４３の内部を軸方向に摺動可能なストップピン４４が設けられている。ストップピン４４は、出力軸４２の軸から離れる方向に突出した構造を有している。ストップピン４４は、出力軸４２の軸方向における移動可能な範囲を規制し、更に出力軸４２がハウジング２に対して回転せず、軸方向にのみに移動することを許容している。すなわち、図２に示すように、ストップピン４４は、収容部４３の形状に合致した形状を有しているので、出力軸４２は、軸方方向に移動可能であるが、ハウジング２に対して回転できない。ストップピン４４は、出力軸４２の一部として設けられていてもよいし、別部材を出力軸４２に固定した構造であってもよい。

ハウジング２は、主力軸４２を摺動可能な状態で保持する保持部４５を備えている。保持部４５の収容部４３の側は、ストップピン４４と接触することで出力軸４２の軸方向における移動を規制し、出力軸４２の位置の原点を決める規制部として機能する。

出力軸４２の可動範囲は、ヘッド５１とストップピン４４によって制限されている。すなわち、出力軸４２の図１における左方向への移動の限界は、ストップピン４４が保持部４５に接触する位置であり、出力軸４２の図１における右方向への移動の限界は、ヘッド５１が保持部４５に接触する位置となる。

(基本動作の一例）
コイル１４，１７に供給する電流の極性を適当なタイミングで切り替えると、コイル１４,１７が生成する磁束の向きが周期的に切り替わる。この周期的に向きが切り替わる磁束は、隙間２３の部分において周方向の成分を有しているので、ロータマグネット３１の磁極に作用する磁気吸引力と磁気反発力が周期的に切り替わり、ロータユニット３０が回転する。この回転が生じる原理は、クローポール型のステッピングモータの動作原理と同じである。このロータユニット３０の回転量は、コイル１４，１７に供給されるパルス電流のパルス数に比例する。例えば、１パルス当たりＸ°回転するといった具合にロータユニット３０が回転する。

ロータユニット３０が回転すると、雌螺子部３４も回転する。この際、雌螺子部３４には、雄螺子部４１が噛み合っており、またストップピン４４の機能により、出力軸４２（雄螺子部４１）は回転できないので、雌螺子部３４が回転すると、雌螺子部３４に噛み合った雄螺子部４１がボールねじを利用した送り機構と同様の原理により、軸方向（図１の左右の方向）に移動する。つまり、出力軸４２の軸方向への移動が生じる。この出力軸４２の軸方向における移動量は、上述したコイル１４，１７に供給されるパルス電流のパルス数に比例する。

（優位性）
図示する形式のリニアアクチュエータ１の出力軸４２は、ストップピン４４がハウジング２に設けられた収容部４３に軸方向で移動可能な状態で収容されることで、回転が規制されつつ、軸方向への移動が許容されている。ここで、ストップピン４４は、軸方向に自在に動くことができる状態であるが、加工精度の問題もあり、ストップピン４４と収容部４３の側壁との間には僅かな隙間が存在する。

例えば、出力軸４２がある方向に移動している状態において、出力軸４２の移動方向を反転させると、出力軸４２には、ある方向に回転しようとしている状態から逆の方向に回転しようとする力が加わる。この際、上記の隙間の存在に起因して、軸方向から見て、ストップピン４４が左右に振れ、収容部４３の側壁に衝突し、衝撃や振動が発生する。この現象は、出力軸４２を頻繁に前後に移動させた場合に顕著になる。

例えば、車両のヘッドライトの指向方向をリニアアクチュエータ１によって制御する場合を考える。ここでは、アタッチメント６０がヘッドライトの反射鏡（リフレクタ）の裏面側に固定され、出力軸４２の動きによって反射鏡の向きが動く構造を想定する。この場合、アクチュエータ１の側は、取り付け構造等において制振が考慮されたものとされ、また車両のボディーにボルト締め構造等によって強固に固定されるが、反射鏡の側は、比較的振動が伝わりやすい構造であり、また空間を有することをから、振動音が反響や共鳴によって生じやすい。このため、上述した衝撃や振動がヘッド５１からアタッチメント６０に伝わり易い構造であると、ヘッドライドの側で異音が発生し易い。図１に示す構造によれば、ヘッド５１からアタッチメント６０に伝わる衝撃や振動が弾性体であるОリング５３によって吸収されるので、このヘッドライドの側における異音の発生が抑えられる。

また、螺子の螺合状態のガタに起因する振動等もОリング５３の弾性により吸収される。また、ヘッド５１を構成する材料を、Оリング５３を構成する材料よりも硬い材料としているので、アタッチメント６０のヘッド収容空間６１の内周に対するヘッド５１の接触時に、ヘッド５１が変形し、それにより位置決めの精度が低下する現象が抑えられる。すなわち、ヘッド５１の材質として、ヘッド５１の変形による位置決め精度の低下が押さえられる程度の硬度のものを選択しても、ヘッド５１よりも軟らかいОリング５３あるので、そこで衝撃や振動の吸収が行われる。したがって、ヘッド５１の部分における位置決め精度と衝撃や振動の吸収機能との両立を図ることができる。

仮に、ヘッド５１を弾性体（例えばゴム）で構成し、ヘッド５１自体に振動を吸収する機能を持たせた場合、荷重が加わった際にヘッド５１が変形し、リニアアクチュエータ１を用いての制御対象物の位置決めの精度が低下する。

（その他）
円周溝５２ではなく、周方向に沿って複数の穴（あるいは窪み）を設け、そこに弾性体を嵌め込む構造も可能である。また、ヘッド５１の外周に弾性体により構成される凸部を設け、この弾性体の凸部がヘッド５１の外周から外側に突出し、この突出した部分がヘッド収容空間６１の内周に変形した状態で接触する構造も可能である。

図１には、螺子構造の噛み合いを利用したリニアアクチュエータの例を示したが、他の形式のリニアアクチュエータを利用することも可能である。他の形式のリニアアクチュエータとしては、例えば、ラックピニオン構造の送り機構により、出力軸のリニア移動を行う形式が挙げられる。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

本発明は、リニアアクチュエータに利用することができる。

１…リニアアクチュエータ、２…ハウジング、３…ピンホルダ、４…ステータアッシー、１０…ステータユニット、１１…ステータヨーク、１２…ステータヨーク、１３…ボビン、１４…コイル（界磁コイル）、１５…コイルカバー、１６…ボビン、１７…コイル（界磁コイル）、１８…コイルカバー、１９…電極端子、２０…電極端子、２１…基板、２２…外部接続用電極部、２３…隙間、３０…ロータユニット、３１…ロータマグネット、３２…ロータマグネット固定部材、３３…ロータ部材、３４…雌螺子部（ナット）、４１…雄螺子部、４２…出力軸、４３…収容部、４４…ストップピン、４５…保持部、４７…軸受、４８…軸受、４９…固定ピン、５１…ヘッド、５２…円周溝、５３…Оリング、６０…アタッチメント、６１…ヘッド収容空間。

Claims (4)

1. 出力軸と、
   前記出力軸を直線方向に移動させるリニア駆動機構と、
   前記出力軸の先端に設けられたヘッドと、
   前記ヘッドに設けられ、前記ヘッドから突出する弾性体と
   を備え、
   前記ヘッドの周囲であって該ヘッドが移動する方向と直交する方向の最も外側に円周溝が設けられ、該円周溝に、前記弾性体として該ヘッドを構成する部材よりも軟らかい材質で構成されたＯリングが該ヘッドから突出する状態に嵌め込まれていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記ヘッドがアタッチメントの収容空間に収められた状態において、
   前記弾性体は、前記収容空間の内周に接触し、変形す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. 前記弾性体がゴムまたは樹脂により構成されてい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. 前記リニア駆動機構は、
   ステータユニットと、
   該ステータユニットの内側に配置されて回転可能に支持されたロータユニットと、
   該ロータユニットの内側に設けられた雌螺子部と、
   該雌螺子部と螺合し、前記出力軸と結合した雄螺子部を備え、
   前記ロータユニットの回転運動が直線運動に変換されて前記出力軸が直線運動を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のリニアアクチュエータ。

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