JP7634865B2 - 電動リニアアクチュエーター - Google Patents

Description

本発明は、電動リニアアクチュエーターに関する。

工業用マニピュレータや多軸振動試験装置を実現する機構として、複数のリンクを並列に連結したパラレルメカニズム（パラレルリンク機構）が知られている。ある種のパラレルメカニズムでは、直進運動を出力するリニアアクチュエーターが駆動装置として使用される。

特許文献１には、パラレルメカニズムを使用した振動試験装置が記載されている。特許文献１に記載のパラレルメカニズムでは、応答性に優れた（例えば、１００Ｈｚ以上の速度応答周波数を有する）油圧シリンダがアクチュエーターとして使用されている。

特開２０１６－１２１９６１号公報

油圧アクチュエーターは、オイルタンクや油圧ポンプを含む油圧供給システムを要し、油圧供給システムの設置や維持に大きなコストがかかるという問題がある。また、油圧システムには、油漏れによる環境汚染、作動油の発火のリスク、エネルギー効率が低い等の問題もある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、応答性に優れた電動リニアアクチュエーターを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、外筒と、外筒に取り付けられた電動機と、電動機が出力する回転運動を所定方向の直線運動に変換するボールねじと、所定方向の直線運動のみを伝達するボールスプラインと、を備え、ボールねじが、電動機の軸に連結されたねじ軸と、ねじ軸と嵌合する第１のナットと、を備え、ボールスプラインが、第１のナットに接続されたスプライン軸と、外筒に取り付けられた、スプライン軸と嵌合する第２のナットと、を備えた、電動リニアアクチュエーターが提供される。

上記の電動リニアアクチュエーターにおいて、回転運動を伝達する軸を回転可能に支持する軸受を備え、外筒が、筒状のベース部を有し、電動機の負荷側のブラケットがベース部の一端部に固定され、軸受がベース部の他端部に固定された構成としてもよい。

上記の電動リニアアクチュエーターにおいて、電動機の軸とねじ軸とを連結するカップリングを備え、ねじ軸が軸受に支持された構成としてもよい。

上記の電動リニアアクチュエーターにおいて、スプライン軸の第１のナットに接続される一端側に、ねじ軸の一端部を収容可能な所定方向に延びる穴が形成された構成としてもよい。

上記の電動リニアアクチュエーターにおいて、外筒が、所定方向に並べられて連結された複数の筒部を有する構成としてもよい。

上記の電動リニアアクチュエーターにおいて、複数の筒部が、電動機を収容する電動機収容部と、ベース部と、ボールねじを収容するボールねじ収容部と、ボールスプラインを収容するボールスプライン収容部と、を含み、電動機収容部、ベース部、ボールねじ収容部及びボールスプライン収容部が、この順で所定方向に並べられて連結された構成としてもよい。

上記の電動リニアアクチュエーターにおいて、外筒が、電動機収容部の一方の開口を塞ぐ蓋部と、蓋部と電動機の反負荷側のブラケットとを連結する連結部と、を有する構成としてもよい。

上記の電動リニアアクチュエーターにおいて、電動機の負荷側及び反負荷側のブラケットが外筒に固定された構成としてもよい。

上記の電動リニアアクチュエーターにおいて、電動機は、定格出力が３ｋＷ以上であり、回転部の慣性モーメントが０．０１ｋｇ・ｍ^２以下である構成としてもよい。

本発明の一実施形態によれば、応答性に優れた電動リニアアクチュエーターが提供される。

本発明の一実施形態に係る電動リニアアクチュエーターの外観図である。 本発明の一実施形態に係る電動リニアアクチュエーターの内部構造を示した図である。 本発明の一実施形態に係る電動リニアアクチュエーターの内部構造を示した図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一の又は対応する構成要素には、同一の又は対応する符号を付して、重複する説明を省略する。また、各図において、符号が共通する事項が複数表示される場合は、必ずしもそれらの複数の表示の全てに符号を付さず、それらの複数の表示の一部について符号の付与を適宜省略する。

以下に説明する本発明の実施形態に係る電動リニアアクチュエーター１は、往復直線運動を出力可能な電動式の作動装置である。本実施形態の電動リニアアクチュエーター１は、汎用のアクチュエーターであるが、ロボットマニピュレーター、工作機械、多軸振動試験装置、フライトシミュレーター等の機構として使用されるスチュワートプラットフォーム等のパラレルメカニズムの駆動源に好適なものである。

図１は、本発明の一実施形態に係る電動リニアアクチュエーター１の外観図である。図２及び図３は、電動リニアアクチュエーター１の内部構造を示した図である。

図２に示されるように、電動リニアアクチュエーター１は、固定部１Ｆと、固定部１Ｆに対して長さ方向への進退（すなわち、往復直線運動）が可能な可動部１Ｍを備え、可動部１Ｍの進退によって伸縮する。図２には電動リニアアクチュエーター１の縮小状態が示され、図３には電動リニアアクチュエーター１の伸長状態が示されている。

図２及び図３において、左から右に向かう方向をＺ軸方向、下から上に向かう方向をＸ軸方向、紙面に垂直に裏から表に向かう方向をＹ軸方向と定義する。Ｚ軸方向は可動部１Ｍが進退する方向であり、Ｚ軸正方向を前方又は前進方向、Ｚ軸負方向を後方又は後退方向と呼ぶ。また、可動部１Ｍが進退するＺ軸方向を電動リニアアクチュエーター１の作動方向と呼ぶ。

図３に示されるように、電動リニアアクチュエーター１は、外筒１０と、外筒１０に本体２１（固定子）が取り付けられたモーター２０（電動機）と、外筒１０に取り付けられたナックル継手７０（ヒンジ）と、モーター２０の動力を伝達する軸（本実施形態においては、後述するねじ軸５１）を回転可能に支持する軸受４０と、モーター２０から出力される回転運動を直線運動に変換するボールねじ５０と、モーター２０の軸２２とねじ軸５１とを連結するカップリング３０と、ボールねじ５０から出力される直線運動を伝達するボールスプライン６０及び球面継手８０を備えている。

外筒１０は、モーター２０を収容する第１筒部１１（電動機収容部）と、モーター２０及び軸受４０が取り付けられる第２筒部１２（ベース部）と、ボールねじ５０を収容する第３筒部１３（ボールねじ収容部）と、ボールスプライン６０のナット６２を収容する第４筒部１４（ボールスプライン収容部）と、第１筒部１１の後端の開口を塞ぐ蓋部１５と、モーター２０と蓋部１５とを連結する筒状の連結部１６を有している。なお、より詳細には、第１筒部１１にはモーター２０の本体２１（及び、軸２２の一部）が収容され、第３筒部１３にはボールねじ５０のナット５２（及び、ねじ軸５１の一部）が収容されている。また、ボールスプライン６０のナット６２の一端部に形成されたフランジ６２１は、第４筒部１４の外部に配置されている。

外筒１０の複数の筒部（第１筒部１１、第２筒部１２、第３筒部１３及び第４筒部１４）は、この順で同心に（すなわち、中心線を合わせて）一列に並べられ、溶接やボルト止め等により一体に連結されている。

第２筒部１２には、後端部（図３における左端部）の外周に外フランジ１２１が、前端部（図３における右端部）の外周に外フランジ１２２が、前端部の内周に内フランジ１２３が形成されている。外フランジ１２１には第１筒部１１の前端が接合され、外フランジ１２２には第３筒部１３の後端が接合されている。

第２筒部１２の後端には、モーター２０の負荷側のブラケット２３のフランジ部２３１が固定されている。また、第２筒部１２の内フランジ１２３には軸受４０のフランジ４１が固定されている。このように、モーター２０と軸受４０を共通の部材（第２筒部１２）に取り付ける構成としたことにより、モーター２０と軸受４０との心出しが容易になっている。

第４筒部１４の後端部の外周には外フランジ１４１が形成されていて、外フランジ１４１には第３筒部１３の前端が接合されている。また、第１筒部１１の後端は、蓋部１５の縁に接合されている。

蓋部１５の内面中央には連結部１６の後端が接合されている。連結部１６の前端には、モーター２０の反負荷側のブラケット２４が取り付けられている。なお、連結部１６を介さずに、蓋部１５にブラケット２４を直接固定してもよい。本実施形態の外筒１０は、モーター２０を容量がより大きなものに交換できるように、モーター２０の大きさに対して大きめに形成されている。本実施形態の外筒１０は、モーター２０の大きさに合わせて連結部１６の大きさや取付穴の位置等を変更することにより、一定の範囲の大きさのモーター２０を搭載できるように構成されている。

モーター２０の軸２２は、ブラケット２３及びブラケット２４にそれぞれ取り付けられた不図示の軸受によって回転可能に支持されている。通常、モーター２０は、負荷側のブラケット２３のみで固定され、片持ち支持される。この場合、モーター２０の軸２２の反負荷側の支持の剛性が比較的に低くなる。そのため、軸２２に大きな負荷が加わると、負荷側のブラケット２３に取り付けられた軸受を支点とする軸２２の歳差運動が発生する。これにより、軸２２を含む動力伝達軸にひずみが生じ、電動リニアアクチュエーター１の駆動性能や駆動制御の精度が低下する。

本実施形態では、モーター２０の反負荷側のブラケット２４も外筒１０に固定して、モーター２０を両端で固定することにより、モーター２０の反負荷側の支持剛性が向上し、軸２２の歳差運動による性能低下が抑制されている。

本実施形態のモーター２０は、例えば、回転部の慣性モーメントが０．０１ｋｇ・ｍ^２以下（より好適には、０．００８ｋｇ・ｍ^２以下）に抑えられた、定格出力が３ｋＷ乃至６０ｋＷ（より実用的には、７ｋＷ乃至３７ｋＷ）の高出力・超低慣性型のＡＣサーボモーターである。本実施形態の電動リニアアクチュエーター１は、このような超低慣性モーターを使用することにより、例えば１００Ｈｚを超える周波数での往復直線駆動が可能になり、振動試験装置等の高い応答性が必要な用途に使用することが可能になっている。

モーター２０はＡＣサーボモーターであるが、ＤＣサーボモーターやステッピングモーター等の駆動量（回転角）の制御が可能な各種モーターをモーター２０として使用してもよい。

第２筒部１２内において、モーター２０の軸２２とボールねじ５０のねじ軸５１とが、カップリング３０により連結されている。カップリング３０には、例えば固定軸継手が使用される。固定軸継手を使用することにより、応答性を向上させることができる。本実施形態のカップリング３０は、筒形軸継手であるが、フランジ形固定軸継手を使用してもよい。

ボールねじ５０は、ねじ軸５１と、ねじ軸５１と嵌合するナット５２を備えている。ナット５２は、ねじ軸５１の回転に応じて、ねじ軸５１に沿ってＺ軸方向に往復移動する。

ボールスプライン６０は、スプライン軸６１と、スプライン軸６１と嵌合する２つのナット６２を備えている。

ナット６２の軸方向における一端部には、固定用のフランジ６２１が形成されている。２つのナット６２は、外筒１０の第４筒部１４の中空部に軸方向両端からそれぞれ嵌め込まれ、フランジ６２１において第４筒部１４に固定されている。スプライン軸６１は、ナット６２に対して（すなわち、ナット６２が取り付けられた外筒１０に対して）、回転が阻止され、Ｚ軸方向の直線運動のみが許容されている。

スプライン軸６１の後端は、ボールねじ５０のナット５２の前端に接続されている。これにより、ナット５２は、外筒１０に対して、Ｚ軸周りの回転が阻止され、Ｚ軸方向の直線運動のみが許容されている。

スプライン軸６１の後部には、Ｚ軸方向に延びる穴６１ａが同心に形成されている。穴６１ａは、外径がボールねじ５０のねじ軸５１よりも大きく、図２に示されるように、縮小状態においてねじ軸５１の前部を収容して、ねじ軸５１とスプライン軸６１との衝突を回避する。

上述したように、本実施形態の電動リニアアクチュエーター１は、スチュワートプラットフォーム等のパラレルメカニズムの直進ジョイントとしての用途に適するように、固定部１Ｆにナックル継手７０が設けられ、可動部１Ｍに球面継手８０が設けられている。例えば、電動リニアアクチュエーター１がスチュワートプラットフォームの直進ジョイントとして使用される場合、ナックル継手７０の取付部７１がベース側に取り付けられ、球面継手８０の取付部８１が出力リンク側に取り付けられる。

なお、ナックル継手７０及び球面継手８０は必須の構成要素ではなく、例えば、電動リニアアクチュエーター１によって相対的な動きを与える２つの対象の一方に外筒１０を直接取り付け、他方にスプライン軸６１を直接取り付ける構成としてもよい。

以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態は、上記に説明したものに限定されず、本発明の技術的思想の範囲内において様々な変形が可能である。例えば明細書中に例示的に明示される実施形態等又は自明な実施形態等を適宜組み合わせた内容も本発明の実施形態に含まれる。

上記の実施形態では、軸受４０がねじ軸５１を支持しているが、軸受４０がモーター２０の軸２２を支持する構成としてもよい。また、軸２２とねじ軸５１との間に中継軸を設けて、軸受４０が中継軸を支持する構成としてもよい。

ボールねじ５０に替えて別の種類の送りねじを使用してもよい。

球面継手８０に替えて自在継手を使用してもよい。また、ナックル継手７０に替えて球面継手又は自在継手を使用しても良い。

１ 電動リニアアクチュエーター
１０ 外筒
２０ モーター
３０ カップリング
４０ 軸受
５０ ボールねじ（送りねじ機構）
６０ ボールスプライン
７０ ナックル継手（ヒンジ）
８０ 自在継手／球面継手

Claims (9)

1. 外筒と、
   前記外筒に取り付けられた電動機と、
   前記電動機が出力する回転運動を所定方向の直線運動に変換するボールねじと、
   前記所定方向の直線運動のみを伝達するボールスプラインと、
   を備え、
   前記ボールねじが、
   前記電動機の軸に連結されたねじ軸と、
   前記ねじ軸と嵌合する第１のナットと、を備え、
   前記ボールスプラインが、
   前記第１のナットに接続されたスプライン軸と、
   前記外筒に取り付けられた、前記スプライン軸と嵌合する第２のナットと、を備え、
   前記外筒が、
   該外筒の前記所定方向における一端側の開口を塞ぐ蓋部と、
   前記所定方向において前記蓋部と前記電動機との間に生じる空間に配置され、前記蓋部と前記電動機の反負荷側のブラケットとを連結する連結部と、を有する、
   電動リニアアクチュエーター。
2. 前記電動機の負荷側及び反負荷側のブラケットが前記外筒に固定された、
   請求項１に記載の電動リニアアクチュエーター。
3. 外筒と、
   前記外筒に取り付けられた電動機と、
   前記電動機が出力する回転運動を所定方向の直線運動に変換するボールねじと、
   前記所定方向の直線運動のみを伝達するボールスプラインと、
   を備え、
   前記ボールねじが、
   前記電動機の軸に連結されたねじ軸と、
   前記ねじ軸と嵌合する第１のナットと、を備え、
   前記ボールスプラインが、
   前記第１のナットに接続されたスプライン軸と、
   前記外筒に取り付けられた、前記スプライン軸と嵌合する第２のナットと、を備え、
   前記電動機の負荷側及び反負荷側のブラケットが前記外筒に固定された、
   電動リニアアクチュエーター。
4. 前記外筒が、
   該外筒の前記所定方向における一端側の開口を塞ぐ蓋部と、
   前記所定方向において前記蓋部と前記電動機との間に生じる空間に配置され、前記蓋部と前記電動機の反負荷側のブラケットとを連結する連結部と、を有する、
   請求項３に記載の電動リニアアクチュエーター。
5. 前記スプライン軸の前記第１のナットに接続される一端側に、前記ねじ軸の一端部を収容可能な前記所定方向に延びる穴が形成された、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電動リニアアクチュエーター。
6. 前記回転運動を伝達する軸を回転可能に支持する軸受を備え、
   前記外筒が、筒状のベース部を有し、
   前記電動機の負荷側のブラケットが前記ベース部の一端部に固定され、
   前記軸受が前記ベース部の他端部に固定された、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電動リニアアクチュエーター。
7. 前記電動機の軸と前記ねじ軸とを連結するカップリングを備え、
   前記ねじ軸が前記軸受に支持された、
   請求項６に記載の電動リニアアクチュエーター。
8. 前記外筒が、前記所定方向に並べられて連結された複数の筒部を有し、
   前記複数の筒部が、
   前記電動機を収容する電動機収容部と、
   前記ベース部と、
   前記ボールねじを収容するボールねじ収容部と、
   前記ボールスプラインを収容するボールスプライン収容部と、を含み、
   前記電動機収容部、前記ベース部、前記ボールねじ収容部及び前記ボールスプライン収容部が、この順で前記所定方向に並べられて連結された、
   請求項６又は請求項７に記載の電動リニアアクチュエーター。
9. 前記電動機は、定格出力が３ｋＷ以上であり、回転部の慣性モーメントが０．０１ｋｇ・ｍ^２以下であり、
   １００Ｈｚを超える繰り返し周波数での往復直線駆動が可能である、
   請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の電動リニアアクチュエーター。

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