JP6664779B1 - リニアアクチュエータ及びこれを用いたタフティングマシーン - Google Patents

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Abstract

【課題】高精度かつ高速度で駆動し、メンテナンスに手間がかからないリニアアクチュエータ、および、これを用いたタフティングマシーンを提供する。【解決手段】筒状のケーシング20と、マグネット取付板41の少なくとも対向する両側面をマグネット45bで挟持し、かつ、前記ケーシング20内に軸心方向に沿って往復移動可能に支持されたマグネットユニット40と、前記マグネットユニット40のマグネット45bに対向するように配置したコイルユニット50と、備え、前記コイルユニット50の励磁,消磁に基づき、前記コイルユニット50,50の間を前記マグネットユニット40が往復移動する。【選択図】図3

Description

本発明はリニアアクチュエータ、特に、高精度、かつ、高速の往復移動機構を必要とする製造装置、例えば、タフティングマシーン等に利用できるリニアアクチュエータに関する。
従来、例えば、タフティングマシーンは、多数本のニードルを同一直線上に取付けたニードルバーを上下に往復移動させるとともに、ニードルバーの軸心に沿って往復移動させることにより、基布に糸でループを形成している。
一般に、ニードルバーを上下に往復移動させる機構としては、例えば、偏心クランク機構が利用されている。一方、ニードルバーを軸心方向に往復移動させる機構としては、例えば、サーボモータとボールネジとを組み合わせたアクチュエータを利用していた(特許文献1参照)。
特開2014−29057
しかしながら、サーボモータを利用したアクチュエータでは、ニードルバーを軸心方向に所定の速度で往復移動させようとしても、高速になると、所定の位置までニードルバーが到達できず、サーボモータが停止するという不具合が生ずる。
要するに、ニードルバーの上下方向の往復移動は高速化できているにも拘わらず、ニードルバーの軸心方向の往復移動の高速化に限界があり、タフティングマシーンの能力を十分に発揮させることができていなかった。
また、サーボモータの回転動作を往復移動に変換するためのボールネジは摩耗しやすく、耐久性が低いので、所望の移動精度を確保しようとすると、短期間で交換する必要があり、メンテナンスに手間がかかった。
本発明は、前記問題点に鑑み、高精度かつ高速度で駆動し、メンテナンスに手間がかからないリニアアクチュエータ、および、これを用いたタフティングマシーンを提供することを課題とする。
本発明に係るリニアアクチュエータは、前記課題を解決すべく、
筒状のケーシングと、
断面逆T字形状のマグネット取付板を形成する垂直基板の両側面をマグネットで挟持し、かつ、前記ケーシング内に軸心方向に沿って往復移動可能に支持されたマグネットユニットと、
前記マグネットユニットのマグネットに対向するように配置したコイルユニットと、備え、
前記マグネット取付板を形成する水平基板の下面両側縁部が、
前記ケーシングの底面のスライドベースに前記軸心方向に沿って並設した2本のガイドレールにガイドされるとともに、
前記マグネット取付板を形成する前記垂直基板の突出部が、
前記ケーシングの上面に前記軸心方向に沿って形成したスライド溝から突出し、かつ、
前記ケーシングの上面に前記軸心方向に沿って設けたガイドブロックにガイドされることにより、
前記コイルユニットの励磁,消磁に基づき、前記コイルユニットの間を前記マグネットユニットが往復移動する構成としてある。
本発明によれば、リニアアクチュエータのマグネット取付板を磁力で、高精度、かつ、高速で往復移動させることができる。このため、例えば、タフティングマシーンの生産性を高めることができる。
また、耐久性の低いボールネジを使用しないので、ボールネジの劣化による交換を必要とせず、メンテナンス期間が長くなり、メンテナンスに手間がかからない。
さらに、本発明によれば、マグネット取付板の水平基板を介して支持できる。このため、安定した往復動作を行うことにより、高精度、かつ、高速のリニアアクチュエータが得られる。
本発明の異なる実施形態としては、前記コイルユニットは、外向き面に冷却フィンを配置しておいてもよい。
本実施形態によれば、コイルユニットの発熱を効率的に排出して冷却でき、発熱による不具合を回避できる。
本発明に係るタフティングマシーンは、前記リニアアクチュエータを、ニードルバーを軸心方向に往復移動させるための駆動源とした構成としてある。
本発明によれば、リニアアクチュエータのマグネット取付板を磁力で、高精度かつ高速で往復移動させることができる。このため、生産性の高いタフティングマシーンが得られる。
また、耐久性の低いボールネジを使用しないので、ボールネジの劣化による交換を必要とせず、メンテナンス期間が長くなり、メンテナンスに手間のかからないタフティングマシーンが得られる。
本発明の異なる実施形態としては、複数本のニードルバーを並設しておいてもよい。
本実施形態によれば、高い生産性で複雑な模様を有するカーペットを生産できるタフティングマシーンが得られるという効果がある。
本願発明に係るリニアアクチュエータの実施形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の正面図である。 図2に示したIII-III線断面図である。 図2に示したIV-IV線断面図である。 図1に示したリニアアクチュエータから防塵カバーを外した状態を示す斜視図である。 図5に示したリニアアクチュエータを異なる角度から見た斜視図である。 図5に示したリニアアクチュエータを別の角度から見た斜視図である。 図1に示したケーシング単体の斜視図である。 図1に示したマグネットユニットの斜視図である。 図9に示したマグネット取付板の斜視図である。 図1に示したコイルユニット単体の斜視図である。 図11に示したコイルユニットの分解斜視図である。 本願発明に係るリニアアクチュエータを取り付けたタフティングマシーンを示す斜視図である。 図13に示したタフティングマシーンから横フレームを外した状態を示す斜視図である。 図14に示したタフティングマシーンを異なる角度から見た斜視図である。 図15に示したタフティングマシーンの要部拡大斜視図である。 図14に示した縦フレーム内に配置される偏心クランク機構の動作前を示す拡大断面図である。 図18に示した偏心クランク機構の動作後を示す拡大断面図である。 タフティングマシーンを操作するための電気機器の接続を示すブロック図である。 タフティングマシーンの要部を示す概略図である。 図20に示した概略図の要部拡大図である。 図21に示した要部拡大図の部分拡大図である。 図22に示した部分拡大図の製造工程に連続する次工程を示す部分拡大図である。 図23に示した部分拡大図の製造工程に連続する次工程を示す部分拡大図である。 図24に示した部分拡大図に製造工程に連続する次工程を示す部分拡大図である。
本発明に係るリニアアクチュエータの実施形態を図1ないし図12の添付図面に従って説明する。
なお、本実施形態に係るリニアアクチュエータ10は、例えば、図13ないし図25に示すように、後述するタフティングマシーン60に適用できるものである。
前記リニアアクチュエータ10は、図8ないし図10に示すように、ケーシング20と、マグネットユニット40と、一組のコイルユニット50,50と、で構成されている。
ケーシング20は、図8に示すように、断面方形の筒状のケーシング本体21からなり、前記ケーシング本体21のX軸方向の一端部側に貫通孔22を有する取付板23を設けてある。また、ケーシング本体21は、その下面にマグネットユニット40を取り付けるための取付口24が設けられている一方、その上面にスライド溝25が形成されている。そして、ケーシング本体21の両側側面には、コイルユニット50,50を取り付けるための取付口26,27がそれぞれ設けられている。さらに、前記取付板23とスライド溝25との間に取付口28が設けられている。
なお、ケーシング20は前述の形状に限らず、形鋼を組み合わせて形成してもよく、必要に応じて外形形状を変更できることは勿論である。
前記ケーシング本体21の上面には、図5および図6に示すように、ロータリーエンコーダ30およびリニアエンコーダ34が配置されている。ケーシング本体21の上面にロータリーエンコーダ30などが配置されているので、組立作業および調整作業が容易であるという利点がある。
ロータリーエンコーダ30は、図5に示すように、カップリング部材31を介して連結軸32に連結されている。前記連結軸32はボールネジ33に挿通されている。前記ボールネジ33は、ケーシング本体21のスライド溝25から突出する後述するマグネット取付板41の突出部44に固定されている。このため、前記マグネット取付板41がX軸方向に往復移動すると、ボールネジ33が連結軸32を回動し、ロータリーエンコーダ30がマグネット取付板41の変位を検出する。
リニアエンコーダ34は、図6に示すように、スケールベース35と、検出ヘッド36とで構成されている。スケールベース35は、前記マグネット取付板41の突出部44に取り付けられている。また、検出ヘッド36は、前記スケールベース35と対向するようにケーシング本体21の上面に固定されている。このため、マグネット取付板41が往復移動すると、スケールベース35も往復移動し、検出ヘッド36がマグネット取付板41の変位を検出する。
前記ケーシング本体21の上面には、ガイドブロック38が固定されている。前記ガイドブロック38は、前記マグネット取付板41の突出部44に取り付けたガイドレール37に係合している。このため、X軸方向にスライド可能なマグネット取付板41は前記ガイドブロック38に位置規制され、正確な往復移動を行う。なお、図1に示すように、ケーシング本体21の上面は防塵カバー11で被覆されている。
マグネットユニット40は、図9および図10に示すように、断面逆T字形状のマグネット取付板41と、その両側面に3枚のマグネット45a,45b,45cをそれぞれ取り付けてある。
マグネット取付板41は、水平基板42の上面中央に垂直基板43を立設した断面逆T字形状を有している。垂直基板43には、図10に示すように、軽量化のために一対の貫通孔43a,43aを設けてある。また、垂直基板43の上端面の略中央部に突出部44を突設してある。前記突出部44の上端縁部の両面には、前述のスケールベース35と、ガイドレール37とを平行にそれぞれ取り付けてある。そして、前記マグネット取付板41の水平基板42の底面には、図10に示すように、スライドブロック46が同一直線上に均等な間隔で3個ずつ、2列に配置されている。
また、マグネットユニット40は、図9に示すように、スライドベース47に並設した2本のガイドレール48,48に、前記スライドブロック46を介してスライド可能に搭載されている。
さらに、マグネットユニット40は、図5および図6に示すように、駆動軸72を連結するため、マグネット取付板41のX軸方向の一端部側にクランプ部材49を取り付けてある。
なお、マグネット取付板41は断面逆T字形状を有する場合にかぎらず、断面T字形状,断面I字形状あるいは断面H字形状であってもよい。断面I字形状であれば、スライドブロック46等の部品点数,組立工数を減らすことができ、軽量化できる。また、断面H字形状のマグネット取付板であれば、4ヶ所にマグネットを取り付けられるので、高出力のリニアアクチュエータが得られるという利点がある。
コイルユニット50は、図11ないし図12に示すように、コイル取付板51を間に、コイルユニット本体52と、冷却フィン53とで挟持するように一体化してある。コイル取付板51は、図12に示すように、コイルユニット本体52が生ずる熱を冷却フィン53を介して効率的に放熱できるように枠組構造を有している。
前記リニアアクチュエータ10の組立について説明する。
ケーシング本体21の取付口24から、スライドベース47に搭載されたマグネットユニット40を挿入し、スライド溝25からマグネット取付板41の突出部44を突出させて位置決めする。そして、ケーシング本体21の底面にスライドベース47を固定する。
さらに、スライド溝25から突出した突出部44の上端縁部にスケールベース35およびガイドレール37を取り付ける。ついで、ケーシング本体21の上面に、検出ヘッド36を取り付け、リニアエンコーダ34を組み立てる。さらに、前記ガイドレール37に係合したガイドブロック38を、前記ケーシング本体21の上面に固定する。
前記突出部44にボールネジ33を固定し、前記ボールねじ33に挿通した連結軸32を、カップリング部材31を介し、ロータリーエンコーダ30に連結する。
ついで、ケーシング本体21の両側の取付口26,27からコイルユニット50,50をそれぞれ組み付けて固定する。最後に、ケーシング本体21の取付口26,27,28を介し、マグネット取付板41の垂直基板43のX軸方向の一端部側にクランプ部材49を固定することにより(図1)、組立作業が完了する。
本実施形態によれば、ケーシング本体21内にマグネットユニット40を位置決めして固定した後、ケーシング本体21の両側からコイルユニット50,50を組み付ける構成としてある。このため、組立性に優れているだけでなく、調整しやすい小型のリニアアクチュエータが得られる。特に、本願発明に係るリニアアクチュエータは大きな取付面積を必要としないので、設置スペースの小さいタフティングマシーンにも取り付けられるという利点がある。
前記リニアアクチュエータ10は、図3および図4に示すように、コイルユニット本体52の励磁,消磁に基づき、コイルユニット本体52とマグネット45a,45b,45cとの吸引,反発により、磁力によってマグネット取付板41がX軸方向、すなわち、紙面に対して垂直方向に往復移動する。
次に、図13に図示するように、前述の実施形態に係るリニアアクチュエータ10をタフティングマシーン60に取り付けた場合について説明する。前記タフティングマシーン60は、1本のニードルバー90をX軸方向に往復移動させてループを形成するタイプである。
前記タフティングマシーン60は、一対の縦フレーム61,62の間に断面U字形状の横フレーム63を架け渡した略門型を有する。そして、前記縦フレーム61,62の対向する外向面のうち、縦フレーム62の外向面に前記リニアアクチュエータ10を取り付けてある。
前記横フレーム63内には、図14に示すように、一対の縦フレーム61,62の間に架け渡したメインシャフト70、ニードルシャフト80が収納されている。
メインシャフト70は、図示しないモータおよびベルトを介して一方向に高速回転する。そして、メインシャフト70の回転動作は、縦フレーム62内に配置されている偏心カム機構(図17および図18参照)を介し、ニードルシャフト80を正逆方向に交互に回転させる。
前記縦フレーム62内に収納された偏心カム機構は、図17および図18に示すように、メインシャフト70はニードルカム65に対して偏心する位置に挿通されている。このため、メインシャフト70が一方向に回転すると、ベアリング66を介してニードルカムアーム67が揺動する。そして、ニードルカムアーム67の先端に設けたピン67aが、ニードルレバー68の湾曲するガイド溝68a内を往復移動する。この結果、ニードルレバー68が上下に揺動するので、ニードルレバー68に取り付けられたニードルシャフト80が正逆方向に交互に回転する。
ニードルシャフト80は、図16に図示するように、所定の間隔に配置したクランク機構81を介してプッシュロッド82に接続されている。プッシュロッド82の下端にはニードルバーキャリア84が取り付けられている。ニードルバーキャリア84は2本のスライドバー93,93をスライド可能に挿通してある。2本の前記スライドバー93,93の両端はガイドブラケット92,92を介してニードルバー90に連結されている。そして、前記ニードルバー90には、多数本のニードル91が同一直線上に並設されている。このため、前記ニードルバー90は上下に往復移動可能であるとともに、X軸方向にも往復移動可能に支持されている。この結果、プッシュロッド82が上下に往復移動すると、ニードルバー90およびニードル91が上下に往復移動する。
なお、プッシュロッド82は前述の横フレーム63内で固定されたプッシュロッドハウジング83を介して支持されている。
図15に示すように、縦フレーム62に取り付けたられたリニアアクチュエータ10のクランプ部材49に駆動軸72が連結されている。前記駆動軸72は連結ブロック73を介して連結バー74に接続されている。そして、図16に示すように、連結バー74の先端には、ガイドブロック75が固定されている。前記ガイドブロック75は、横フレーム63内に固定されたガイドレール69にスライド可能に係合する一方、ニードルバーブラケット76を介してニードルバー90に固定されている。このため、リニアアクチュエータ10の駆動に基づいて連結バー74がX軸方向に往復移動すると、ガイドブロック75およびニードルバーブラケット76を介し、ニードルバー90およびニードル91がX軸方向に往復移動する。
ニードルバー90の上面には、前述したように1対で1組のガイドブラケット92,92が、所定のピッチで複数組、固定されている。一対のガイドブラケット92,92の間には2本のスライドバー93,93が平行に架け渡されている。そして、2本のスライドバー93,93には、前述したようにニードルバーキャリア84がスライド自在に挿通されている。したがって、ニードルバーキャリア84はニードルバー90に直接接触していない。
なお、ニードルバー90は、その下面に複数本のニードル91を同一直線上に1列に配置してあるが、ニードル91の配置は必ずしも1列である必要はない。必要に応じ、例えば、2列あるいは、3列に配置してもよい。また、ニードルバー90は必ずしも1本である必要はなく、複数本を並設してもよい。
前述のリニアアクチュエータ10は、図19に示すブロック図のように接続されている。
すなわち、電源110は配線用遮断器111を介してノイズフィルター112に接続されている。ノイズフィルター112は主ドライバーボード113と、電磁接触器を114介して副ドライバーボード115に接続されている。PC116にも接続されている主ドライバーボード113はメインシャフト位置検出エンコーダー117に接続されているとともに、前記副ドライバーボード115にも接続されている。前記副ドライバーボード115は回生抵抗器118を備え、零相リアクトル119を介してリニアアクチュエータ10に接続されている。
なお、前記メインシャフト位置検出エンコーダー117は、例えば、縦フレーム62の外向面に配置され、図示しないタイミングプーリおよびタイミングベルトを介してメインシャフト70に接続され、メインシャフト70の回転状況を検出し、主ドライバーボード113に検出結果を送信する。このため、PC110でメインシャフト70の回転状況をリアルタイムでチェックすることができる。
次に、図20ないし図25に基づき、タフティングマシーン60とリニアアクチュエータ10との連動動作につい説明する。
図20に図示するように、第1ロール100から引き出された基布101に糸102,103を縫い込んでループ104を形成されたカーペットが第2ロール105に巻き取られる。糸102はガイドプレートのガイド孔を介して引き出され、ニードル91の針孔に挿通され、基布101に縫い込まれる。
図示しないモータの回転をベルトを介してメインシャフト70が一方向に回転すると、図17および図18に図示した偏心カム機構を介し、ニードルシャフト80が正逆方向に交互に回転する。このため、図21に示すように、ニードルシャフト80に取り付けたクランク機構81を介してプッシュロッド82が上下に往復移動する。この結果、プッシュロッド82の先端側に位置するニードルバー90およびニードル91が往復移動し、基布101に糸102が連続的に縫い込まれる(図22)。
なお、図21においてニードル91の右側に位置するプレッサーフット98は基布101およびカーペットの浮き上りを防止するためのものである。このプレッサーフット98は、ラックおよびピニオンを介し、上下に移動させることにより、調整可能となっている。
ニードル91を並設したニードルバー90は、ニードルバーキャリア84およびスライドバー93,93を介して紙面に対して垂直方向に往復移動可能に支持されている。
ニードル91の直下に位置するルーパ97は回動可能なルーパブロック96に取り付けられている。
フィンガープレート94には多数本のフィンガー部95が並設されている。そして、隣り合うフィンガー部95,95の間にニードル91が1本ずつ下降するように配置されている。
図22は、ニードル91が下降して並設されたフィンガー部95,95の間を通過して基布101を貫通し、最も低い位置である下死点に到達した後、ニードル91が上昇しようとする直前の状態を図示している。このため、ガイドプレートのガイド孔を介して張り渡された糸102が最下点まで引き下げられた状態にある。このとき、ニードル91と糸102との間にルーパ97が入り込んでおり、ルーパ97が糸102に係止可能となっている。
図23および図24に示すように、ニードル91が引き上げられ、基布101から引き抜かれても、前記ルーパ97が糸102に係止したままの状態を維持する。このため、糸102が引き戻されることなく、所定の高さのループ104を形成できる。そして、ニードル91が基布101から引き抜かれた直後に、形成しようとする模様に応じ、リニアアクチュエータ10の駆動によってニードルバー90が紙面に対して直交方向に適宜、移動する。
さらに、図25に示すように、ニードル91が再び下降し始めると、ルーパ97が逆方向に回転して元の位置に復帰し、ニードル91との衝突を回避する。
以後、同様な動作を繰り返すことにより、ループ104を形成しつつ、模様を有するカーペットが完成する。
前述の実施形態では、1台のタフティングマシーンに1台のリニアアクチュエータを取り付け、1本のニードルバーを軸心方向に往復移動させる場合について説明した。しかし、これに限らず、例えば、タフティングマシーンの2本の縦フレームにリニアアクチュエータをそれぞれ取り付け、並設した2本のニードルバーを軸心方向にそれぞれ往復移動させてもよい。
また、前述の実施形態では、ループパイルを形成するルーパについて説明した。しかし、これに限らず、例えば、カットパイルまたはカットアンドループパイルを形成するルーパに適用してもよい。
(実施例1)
実施形態に係るリニアアクチュエータを、既存のタフティングマシーンに取り付けて駆動し、駆動限界を調べた。
既存のタフティングマシーンのメインシャフトを、そのタフティングマシーンの限界値である最大回転数1142rpmで回転し、ニードルバーを上下運動させた。本願発明に係るリニアアクチュエータによって駆動されるニードルバーの軸心方向の往復運動が、何の問題もなく、追随できることを確認できた。
(比較例1)
サーボモータ(安川電機製 SGMGV−44DDA21)と、ボールネジ(THK製 BLK3232−3.6)とを組み合わせて構成したアクチュエータを、既存のタフティングマシーンに取り付けた。そして、実施例1と同様に駆動した。メインシャフトの回転数が600rpmを超え始めると、異常音が発生し始め、ニードルバーの上下運動に、ニードルバーの軸心方向の往復運動が追随できないことが判った。
以上の実験から、本願発明のリニアアクチュエータを使用すれば、既存のアクチュエータを使用した場合よりも、少なくとも2倍以上の回転数でメインシャフトを回転できることが判った。このため、本願発明のリニアアクチュエータを使用すれば、タフティングマシーンの生産性が著しく向上することが明らかとなった
前述の実施形態では、タフティングマシーンに適用する場合について説明したが、他の製造機器に使用してもよいことは勿論である。
10 リニアアクチュエータ
11 防塵カバー
20 ケーシング
21 ケーシング本体
22 貫通孔
23 取付板
24 取付口
25 スライド溝
26 取付口
27 取付口
28 取付口
30 ロータリーエンコーダ
31 カップリング部材
32 連結軸
33 ボールネジ
34 リニアエンコーダ
35 スケールベース
36 検出ヘッド
37 ガイドレール
38 ガイドブロック
40 マグネットユニット
41 マグネット取付板
42 水平基板
43 垂直基板
44 突出部
45a マグネット
45b マグネット
45c マグネット
46 スライドブロック
47 スライドベース
48 ガイドレール
49 クランプ部材
50 コイルユニット
51 コイル取付板
52 コイルユニット本体
53 冷却フィン
60 タフティングマシーン
61 縦フレーム
62 縦フレーム
63 横フレーム
70 メインシャフト
71 ディスクブレーキ
72 駆動軸
73 連結ブロック
74 連結バー
75 ガイドブロック
76 ニードルバーブラケット
80 ニードルシャフト
81 クランク機構
82 プッシュロッド
83 プッシュロッドハウジング
84 ニードルバーキャリア
90 ニードルバー
91 ニードル
92 ガイドブラケット
93 スライドバー
94 フィンガープレート
95 フィンガー部
96 ルーパブロック
97 ルーパ
100 第1ロール
101 基布
102 糸
104 ループ
105 第2ロール

Claims (4)

  1. 筒状のケーシングと、
    断面逆T字形状のマグネット取付板を形成する垂直基板の両側面をマグネットで挟持し、かつ、前記ケーシング内に軸心方向に沿って往復移動可能に支持されたマグネットユニットと、
    前記マグネットユニットのマグネットに対向するように配置したコイルユニットと、備え、
    前記マグネット取付板を形成する水平基板の下面両側縁部が、
    前記ケーシングの底面のスライドベースに前記軸心方向に沿って並設した2本のガイドレールにガイドされるとともに、
    前記マグネット取付板を形成する前記垂直基板の突出部が、
    前記ケーシングの上面に前記軸心方向に沿って形成したスライド溝から突出し、かつ、
    前記ケーシングの上面に前記軸心方向に沿って設けたガイドブロックにガイドされることにより、
    前記コイルユニットの励磁,消磁に基づき、前記コイルユニットの間を前記マグネットユニットが往復移動することを特徴とするリニアアクチュエータ。
  2. 前記コイルユニットが、外向き面に冷却フィンを設けた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. 請求項1または2に記載のリニアアクチュエータを、ニードルバーを軸心方向に往復移動させるための駆動源とすることを特徴とするタフティングマシーン。
  4. 複数本のニードルバーが並設されていることを特徴とする請求項3に記載のタフティングマシーン。
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