JP6788541B2 - マルチポジション型往復回転アクチュエータ - Google Patents

Description

本願に係る発明（以下、「本願発明」）は、所定の角度範囲で往復回転する回転力を出力させる往復回転アクチュエータに関し、特に、単一の出力軸で複数の軸回転位置（「マルチポジション」という。）で往復回転力を供給することができるマルチポジション型往復回転アクチュエータに関する。

本明細書において、「ポジション」とは、時計盤を用いて説明すると、回転軸断面を時計盤の中心位置に見立てた場合、往復軸回転する回転範囲が１２時と１時の間である場合にその位置を１つのポジションといい、その「ポジション」が１時と２時の間の位置、又は２時と３時の間の位置、など複数箇所になる場合を「マルチポジション」と定義している。

一般的な往復回転型のロータリーアクチュエータは、所定の角度範囲で往復回転運動する回転力を駆動力として供給するものである。例えば、ＡＴＭ（自動預金受払機）や自動発券機、又はプリンタ装置などにおいて、紙幣や硬貨、又は紙片などを所定の搬送路へ振り分けるガイド用ブレードを、作動させるための駆動源として用いられている。またこれらの装置において、多数の搬送方向に振り分ける必要がある場合は、振り分け経路毎に対応させた複数個のアクチュエータを設置する必要がある。

しかし、上記装置における小型化かつ多機能化の要請に対しては、部品の小型化に加えて部品点数の削減が望まれていた。

これを課題として、本出願人は、特許文献１に開示している内容で、マルチポジション型の往復回転アクチュエータを提供している。当該アクチュエータは、一つの出力軸（シャフト）で複数の軸回転位置に移行し、その位置（ポジション）で所定の回転角をもって往復軸回転力を出力させることを可能としていた。

特許文献１で開示しているアクチュエータは、図８の分解斜視図で示す部品構成からなるものであった。これを概略して説明すると、所定回転角で往復軸回転する回転力を出力させる駆動源（１）と、該駆動源（１）の出力軸（３）と同軸上で連結分離させると共に、該分離時に前記駆動源の出力軸（３）に対して同軸上で相対的に軸回転して再び連結する回転板（４）と、該回転板（４）を出力軸（３）と同軸上を移動させる作動手段（６）と、前記回転板（４）を該作動手段（６）の作用方向と反対方向に付勢作用するように配置したコイルスプリング（５）と、その作用により出力シャフト（８）の先端部をフロントプレート（７）から露出させて外部に往復回転力を出力させる構成であった。

特開２０１５−１４２４００号公報

上記の開示発明は、初期の課題は解決しているが、駆動源の出力軸（３）と外部出力用の出力シャフト（８）とは、別体で構成すると共にそれらの突き合わせによって、軸芯出しを行う必要があった。この作業は組立て精度を確保するため慎重に行う必要があり、生産コストと精度品質やその維持、又は耐久性の確保に影響するものとなっていた。

また、図８から明らかなように、上記従来構成のアクチュエータは、別体構成の出力軸（３）と出力シャフト（８）が、それぞれ一端側で保持する片持ち構造であったため、初期の軸受（２０）の内径と出力軸（３）の外径の摺動状態が片当たりとなり、油膜が切れやすく出力軸（３）に対する側圧が高いと摺動抵抗が大きくなり摩耗が促進される傾向にあった。これを解消するため出力軸（３）を両端で保持する両持ち構造（図示省略）とすることも可能であるが、構造が複雑になって小型化が難しく、また、軸芯出しが更に困難になるという問題が生じていた。

そこで、本願出願は、これらの課題の解決を目的として、先に提案したマルチポジション型の往復回転アチューエータを基にしながらも、新たな技術思想に基づいて改良したものであり、駆動源の出力軸と出力シャフトとを一本の軸体で構成することにより、組立て時の軸芯出しを容易とすると共にその組立て精度を高めて装置の品質向上を図ったマルチポジション型の往復回転アクチュエータを提供するものである。

上記課題を解決するため、本願発明に係るマルチポジション型往復回転アクチュエータ（以下、「本願アクチュエータ」）は、以下のように構成している。

すなわち、所定間隔をもって対面配置したフロントプレートとリアプレートの間に垂直架設して軸回転自在に軸支し、かつ中間部に軸回転の伝達に関わる関係部を形成してなる単一軸体のシャフトと、前記架設したシャフトの前記リアプレート側に回動自在に環装させたローターと、該ローターを回動させる磁力発生源と、からなる駆動源と、前記シャフトの前記関係部に軸方向の摺動を可能にして環装することによって、前記駆動源のローターの出力部と連結又は分離するポジション変更板と、該ポジション変更板を前記ローターの出力部と連結する方向に摺動させる付勢手段と、該付勢手段に対向して、前記ポジション変更板を、前記ローターの出力部と分離する方向に摺動させる作動手段と、前記フロントプレートに取り付けられ、前記ローターの出力部と前記ポジション変更板の分離時に、前記ポジション変更板を固定する保持手段と、からなることを特徴としている。

なお、上記付勢手段は、前記ローターの出力部と分離する方向に作用させるように配置しても良い。この場合は作動手段を駆動源の出力部と連結する方向に摺動させるように構成する。

上記のように構成することにより、本願アクチュエータは以下の効果を奏する。

単一に形成したシャフトを筐体内で対面したプレート間にそれぞれ軸受部を形成して軸回転自在に保持しているため、組立工程で煩雑な軸芯出しの必要が無く、かつ組立精度の向上と共に使用時の軸芯維持の恒久性を図ることができる。

また、シャフトはプレート間での両持ち構造であるため摺動負荷の低減が図れることとなり、耐久性を向上させることができる。

さらに、シャフトが一本であるため、いずれか一方から順次組立てて行くことができ、容易かつ迅速な組立てを行うことができると共に従来品と比べて部品点数を少なくすることができ、生産コスト及び製造コストの低減が図れる。

本実施例の各構成要素の組立て状況を示す分解斜視図である。 作動状態を示す一部縦断面を含む左側面図である。 作動状態を示す一部横断面を含む平面図である。 第１ポジションでの往復軸回転を示す説明図である。 第１ポジションから第２ポジションに切り替わる工程を示す説明図である。 第２ポジションでの往復軸回転を示す説明図である。 作動手段の作動状態を示す斜視図である。 従来の実施例の各構成要素の組立て状況を示す分解斜視図である。

以下に、本願アクチュエータの実施例について、図面を基に主要構成を項分けして説明する。なお、各構成要素の名称は、本発明での機能を考慮して定義したものであって、本発明の技術的構成要素を限定する意味のものではない。また、各構成要素に定義されたそれぞれの名称は、当業界では他の名称で称することがある。

また、本願アクチュエータは、機能上要求される上下左右の向きの制限はないが、説明の便宜上、分解斜視図である図１を基準として、左下方向をフロント方向（又はフロント側）及び右上方向をリア方向（又はリア側）として用いている。
Ａ）本願アクチュエータの筐体

本願アクチュエータは、矩形箱体状の筐体１内に収納して外部機器（ＡＴＭ、等）の内部に取り付けられるものである。この筐体１はフロントプレート１０を底面とする有底筒状のフロントカバー１１と、このフロントカバー１１の開口部を閉塞する矩形板状のリアプレート１２とから構成している。またフロントプレート１０には、後述するポジション変更板としての回転板４の嵌合孔４１に嵌合して該回転板４の回転を停止させて保持するための突起状のポスト１５を取り付けている。
Ｂ）シャフトの構成

上記筐体１内において、フロントプレート１０にフロント軸受１３を、かつリアプレート１２にリア軸受１４を取り付けている。該フロント軸受１３とリア軸受１４とによって単一体のシャフト２を、両プレート１０，１２間に垂直にして掛け渡し（「垂直架設」）すると共に回転自在に軸支している。該シャフト２は、その少なくとも一方側のプレート（本実施例ではフロントプレート１０）を貫通して外部への出力部となっている。

またシャフト２の軸長の略中間部には、軸回転に関わる関係部となる直方体状のガイドブロック２０を形成している。このガイドブロック２０は、これに環装して嵌合する部材を、シャフト２の回転に従って同期回転させるためのものである。これと共に、シャフト２の軸方向への移動はこのガイドブロック２０がガイドとなって摺動が自在となっている。なお、本実施例のガイドブロック２０は、直方体状を成しているが、回転力の伝達に関わると共に摺動ガイド、又は少なくとも摺動の障害とならない仕様であれば良く、シャフト２の軸断面形を一定とすると共に、その断面形が三角形状、矩形状、Ｄ字状、又はキー取付けによる凸条、に形成するなど適宜の形状にしても良い。
Ｃ）駆動源の構成と作用

本実施例における駆動源としては、往復軸回転力を発生させるロータリーソレノイド（以下「第１ソレノイド３」）を用いている。該第１ソレノイド３は、前記シャフト２のリアプレート１２側に配置している。回転子となるローター３０はローター軸受３１によってシャフト２のリア側で回動自在に軸支され、磁力発生源となる第１電磁コイル３２、及び第１コア３７はリアプレート１２に取り付けられている。該ローター３０は、略扇形状に形成した非磁性材のローターモールド３３と、扇形の要部付近に配置した前記ローター軸受３１と、及び該ローターモールド３３に並設した２個の第１マグネット３４とからなる。この２個の第１マグネット３４は、互いに異磁極面をもって回転方向に沿って配置しており、かつ第１バックヨーク３５で裏打ちしている。

さらに、ローターモールド３３からは、その出力部としてシャフト２を挟んだ両翼位置からフロント方向に突出させた一対の嵌合ピン３６を一体的に形成している。なお、この嵌合ピン３６は、部材の耐磨耗性や強度等を考慮して、摺動特性の良い材料で別体形成した後にローター３０と一体化させても良い。

この構成により、第１ソレノイド３は、第１電磁コイル３２の通電制御によって極性が変更し、これに異極並設の第１マグネット３４の各極性と反応して吸着と反発を繰り返すことにより、ローター３０は所定回転角で往復軸回転する。この挙動は、略扇形状をしたローター３０を偏芯軸支しているため、振り子の様な揺動状態を呈している。

なお、この往復回転の角度θは、ローターモールド３３の左右端部３８が前記フロントカバー１１の内面に当接して規制されるが、必要によりストッパー（図示省略。）を配設しても良い。

なお、当該駆動源に関する更なる詳細は、前記特許文献１において公知の事実であるため省略する。
Ｄ）ポジション変更板の構成と作用

ポジション変更板とは、往復軸回転させるシャフト２の回転位置（上記定義の「ポジション」）を変更するためのものであり、本実施例では円形の回転板４を用いている。該回転板４の中心部には、前記シャフト２のガイドブロック２０と嵌合状態を維持しながら摺動する軸穴４０を形成している。また該回転板４の板面には、前記嵌合ピン３６が嵌入する嵌合孔４１を、シャフト２の軸同心円上を周回状に等間隔で多数個を形成している。この各嵌合孔４１の間隔は、移動するポジションの１ピッチ分を規定するものであり、その回転角αは、２０°、３０°、など適宜に設定される。なお、本実施例では、回転角αは上記した往復軸回転角θと同じ角に設定している。

また、回転板４のフロント側には、付勢手段としての拡張力をもったコイル状のスプリング４２を配置している。該スプリング４２は前記ガイドブロック２０に環装された回転板４をローター３０へ押し付けるためのものである。この押し付け作用により、回転板４の嵌合孔４１とローターモールド３３の嵌合ピン３６とは、離脱可能な嵌め合い状態となる。

なお、上記回転板４の輪郭形は、嵌合孔４１が同心円状に形成できる板面を確保できるものであれば、円板に限定するものではなく、正六角、正八角、などの正多角形状としても良い。

また、回転板４には、前記スプリング４２の作用による移動と反対方向（フロント方向）に作用して移動（摺動）させる作動手段５を配設している。
Ｅ）作動手段の構成と作用

作動手段５は、てこの原理を利用する構成を採っている。その全体は、前記リアプレート１２に配設した第１電磁コイル３２の周りに取り付けた支持プレート５０によって保持される。該支持プレート５０には、支点部となる上下方向に延長させたヒンジ軸５１をリアプレート１２の正面視右側端部で保持し、かつ該ヒンジ軸５１から前記回転板４の上下方向で対向した周縁部４３付近まで一体構成で延びた枠部材を有する枠体状のレバー体５２を取り付けている。また該支持プレート５０の下端位置には、前記レバー体５２を作動させるための第２電磁コイル５３を取り付けている。

そして力点部として、この第２電磁コイル５３の第２コア５４とエアギャップをもって対面させた第２マグネット５５を、前記ヒンジ軸５１から一体構成で延設させたレバー体５２の位置に配設している。なお、この第２マグネット５５には、第２バックヨーク５７を裏打ちしている。

さらに作用点として、上記レバー体５２の先端部（ヒンジ軸から最遠部）には、前記回転板４の上下位置の周縁部４３に係合する上下一対の作用部５６を形成している。

ここで、前記第２電磁コイル５３は、上記第１電磁コイル３２の磁界の影響を避けるため、互いの磁界の向きが重なって相乗しないように略直交する位置関係で配置している。別言すると、第２電磁コイル５３の第２コア５４の軸方向とシャフト２の軸方向とが直交する位置関係になっている。

この構成により、図３及び図７に示すように、第２電磁コイル５３への通電によって第２マグネットに吸着力が作用し、これによりレバー体５２は、ヒンジ軸５１を支点（又は回転軸）として図３平面視で左回転（反時計回転ＣＣＷ）する。この左回転によりレバー体５２の一対の作用部５６が、回転板４の上下位置の周縁部４３に作用して、回転板４をフロント側に摺動させることとなる。これにより前記嵌合ピン３６が嵌合孔４１から分離して回転板４は、第１ソレノイド３からの回転力の伝達が遮断される。この回転板４の分離移動に伴って、板面に周回状に等間隔で形成した複数個の嵌合孔４１の一つに、前記フロントプレート１０に設けたポスト１５が嵌入して、回転板４は固定保持される。
Ｆ）本実施例の全体としての作用と効果

上記のように構成した本実施例は、次のように作用する。なお、各機構要素の作用については既述しているので省略する。また、相対的移動の理解を明確にするため、回転板４の嵌合孔４１に１〜８の丸囲み番号を付記している。また図面４〜６において、嵌合孔４１に嵌合ピン３６及びポスト１５が嵌入しているところは黒く塗りつぶし、逆に抜き出されて嵌合前（分離）の位置関係のところは二重丸「◎」印で描いている。

本願アクチュエータのポジション変更（移行）の過程を、主要構成要素のみで示した図４〜６を用いて説明する。以下に、フロント側から見て、初期の位置（「第１ポジション」）における往復軸回転（θ_１）から所定角度（α）だけ軸回転した位置（第２ポジション）に移行して、再びその第２ポジションにおいて往復軸回転（θ_２）を外部へ出力させる過程について説明する。
ａ．第１ポジションでの往復回転力の出力

第１ポジション（初期ポジション）での往復軸回転は、スプリング４２の拡張付勢力により回転板４の嵌合孔４１が、第１ソレノイド３のローター３０に形成された嵌合ピン３６と嵌合した状態で行われる（図４（Ａ）において、嵌合孔４１の位置番号で丸１と丸７）。第１電磁コイル３２への通電制御によって往復軸回転するローター３０の回転力が回転板４に伝達される。この回転板４の回転軸となる軸穴４０でガイドブロック２０に嵌合しているため、これに従動（一体回転）してシャフト２が往復軸回転（θ_１）し、これによって外部機器に往復軸回転の回転力の供給を行う（図面４の（Ａ）⇔（Ｂ）の状態。）。
ｂ．ポジションの移動行程

第１ポジションでローター３０が一方端側（図面上で右端）まで振れた位置（図４の（Ａ）の状態）で第１電磁コイル３２の通電を停止すると、第１電磁コイル３２の第１コア３７の残留磁気によって第１マグネット３４が吸着されて停止状態を保持する。この状態で第２電磁コイル５３に通電すると第２コア５４の磁極がレバー体５２の先端部に取り付けた第２マグネット５５と反応して磁気吸着力を発生させる。これにより、平面図３及び図７に示すようにヒンジ軸５１が左回転（反時計回転ＣＣＷ）し、レバー体５２の一対の作用部５６が回転板４の上下位置の周縁部４３にてこ作用力（矢印Ｐ）が作用する。これにより、スプリング４２の拡張付勢力に対抗して回転板４は、ガイドブロック２０がガイドとなって、嵌合したままフロント方向にシャフト軸に沿って摺動（矢印ｍ）する。これに伴って嵌合ピン３６が回転板４の嵌合孔４１（嵌合孔番号で丸１と丸７、以下同様。）から離脱する（図５（Ｃ）の状態。）。

次に、この離脱させた状態で第１電磁コイル３２を通電すると、回転板４は嵌合孔４１（嵌合孔番号丸４）に嵌入したポスト１５によって停止状態を保持されたままであるため、ローター３０のみが軸回転（図５において右回転（時計回転ＣＷ）。）する。そして、ローター３０が図面左端まで回転移動したところで第１電磁コイル３２への通電を停止させると、第１コア３７の残留磁気によって第１マグネット３４が磁気吸着され、その状態を維持する（図５（Ｄ）の状態。）。

この状態において、上記作動手段５の第２電磁コイル５３への通電を停止させると磁気吸着力は弱まるが、第２コア５４と第２マグネット５５は磁気吸着されてその状態が維持される。次に、極性が逆になるように第２磁気コイル５３に通電するとスプリング４２の拡張付勢力と相俟って、回転板４は、ポスト１５から離脱する（嵌合孔番号丸４）と共にガイドブロック２０にガイドされてシャフト２の軸上を摺動して嵌合ピン３６と嵌合し（嵌合孔番号丸２と丸８）、再びローター３０と連結して往復軸回転の回転力の伝達が行われる（図面５の（Ｄ）→図面６の（Ｅ）。）。

この作動行程を経て、回転板４はローター３０のシャフト２と相対的に１ピッチ分の回転（移行角α）した第２ポジションへの移行が完了する。

この状態で再び第１電磁コイル３２へ通電制御すると第２ポジションでの回転角（θ_２）の往復軸回転を開始することとなる（図６（Ｅ）⇔（Ｆ））。
ｃ．マルチポジションの移動行程

上記した第１ポジションから第２ポジションへの移行を順次隣接する嵌合孔４１に沿って行うことより、複数のポジション（「マルチポジション」）に移動することができ、それぞれのボジションにおいて往復軸回転の回転力を出力させることができることとなる。このボジション数の設定は、回転板４に形成した複数個の嵌合孔４１の間隔設定により決まるものであり、隣接する嵌合孔４１の間隔（中心角）は往復回転角θと同一させることが嵌合ピン３６と嵌合孔４１との嵌合精度を高める上で好ましいものである。すなわち、上記実施例の説明においては、往復回転角θと移行角αは同一に設定している。

１ 筐体
１０ フロントプレート
１１ フロントカバー
１２ リアプレート
１３ フロント軸受
１４ リア軸受
１５ ポスト
２ シャフト
２０ ガイドブロック
３ 第１ソレノイド
３０ ローター
３１ ローター軸受
３２ 第１電磁コイル
３３ ローターモールド
３４ 第１マグネット
３５ 第１バックヨーク
３６ 嵌合ピン（出力部）
３７ 第１コア
３８ 左右端部
４ 回転板
４０ 軸穴
４１ 嵌合孔
４２ スプリング
４３ 周縁部
５ 作動手段
５０ 支持プレート
５１ ヒンジ軸
５２ レバー体
５３ 第２電磁コイル
５４ 第２コア
５５ 第２マグネット
５６ 作用部
５７ 第２バックヨーク

Claims (6)

1. 所定間隔をもって対面配置したフロントプレートとリアプレートの間に垂直架設して軸回転自在に軸支し、かつ中間部に軸回転の伝達に関わる関係部を形成してなる単一軸体のシャフトと、
   前記架設したシャフトの前記リアプレート側に回動自在に環装させたローターと、該ローターを回動させる磁力発生源と、からなる駆動源と、
   前記シャフトの前記関係部に軸方向の摺動を可能にして環装することによって、前記駆動源のローターの出力部と連結又は分離するポジション変更板と、
   該ポジション変更板を前記ローターの出力部と連結する方向に摺動させる付勢手段と、
   該付勢手段に対向して、前記ポジション変更板を、前記ローターの出力部と分離する方向に摺動させる作動手段と、
   前記フロントプレートに取り付けられ、前記ローターの出力部と前記ポジション変更板の分離時に、前記ポジション変更板を固定する保持手段と、
   からなることを特徴とするマルチポジション型往復回転アクチュエータ。
2. 前記関係部が、
   シャフトの軸方向の断面形を一定とすると共に、その断面形が三角形状、矩形状、Ｄ字状、又はキー取付けによる凸条、であることを特徴とする請求項１記載のマルチポジション型往復回転アクチュエータ。
3. 前記ローターの出力部とポジション変更板との連結が、
   前記ポジション変更板の板面に複数個を等間隔で周回状に形成した嵌合孔と、前記ローターの出力部としてポジション変更板側に突出形成した嵌合ピンとの嵌合であることを特徴とする請求項１、又は２記載のマルチポジション型往復回転アクチュエータ。
4. 前記作動手段が、
   対面するフロントプレートとリアプレートのいずれかに回転自在にして保持させた支点部と、
   該支点部に回動力を作用させるソレノイドと、
   前記支点部から前記ポジション変更板の作用部まで延設してなるレバー体と、
   からなることを特徴とする請求項１、２、又は３記載のマルチポジション型往復回転アクチュエータ。
5. 前記駆動源が、
   所定回転角で往復軸回転させるロータリーソレノイドであることを特徴とする請求項１、２、３、又は４記載のマルチポジション型往復回転アクチュエータ。
6. 前記駆動源がロータリーソレノイドでありかつ前記作動手段がソレノイドである場合において、
   前記ロータリーソレノイドを構成する第１電磁コイルと、前記ソレノイドを構成する第２電磁コイルとを互いの磁界の向きが直交するように配置したことを特徴とする請求項５記載のマルチポジション型往復回転アクチュエータ。

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