(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータハウジング内に回転のみ自在に支持された駆動側部材と、このモータハウジング内でこの駆動側部材の外周面に固定したロータと、その内周面をこのロータの外周面に対向させた状態で上記モータハウジング内に固定したステータと、上記駆動側部材の内径よりも小さな外径を有し、この駆動側部材に対し偏心した状態でこの駆動側部材の内径側に、回転及び軸方向に亙る変位自在に支持された被駆動側部材と、この被駆動側部材の外周面と上記駆動側部材の内周面とのうちの何れか一方の周面に形成された螺旋状のねじ溝と、上記被駆動側部材の外周面と上記駆動側部材の内周面とのうちの他方の周面に円周方向に亙って形成された、上記ねじ溝と同じピッチを有する係合溝と、上記被駆動側部材の一部にスラスト荷重を支承自在な転がり軸受により結合された出力部材とを備え、上記ねじ溝の円周方向の一部と上記係合溝の円周方向の一部とを互いに噛合させたリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明に係るリニアモータは、例えば介護用ベッド、昇降テーブル、ＣＴスキャナ、トラックのキャビンチルト装置、リフター等、各種機械装置に組み込んだ状態で使用する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
電動式のリニアアクチュエータとして従来から、電磁ソレノイドや電動モータと送りねじ機構とを組み合わせたもの等が知られている。
このうちの電磁ソレノイドは、小型・軽量に構成できる代わりに、大きなストロークを得る事が難しく、又、得られる力も限られたものとなる。
又、電動モータと送りねじ機構とを組み合わせたものは、互いに独立した機構を組み合わせる為、大型で重量が嵩む。しかも、一般的な滑りねじ機構を使用するものは、滑り摩擦部での損失が大きく、効率が悪い。これに対して、ボールねじ機構を使用するものは、効率が良い代わりにコストが嵩む、しかも、より大型化する。
本発明は、この様な事情に鑑みて、小型・軽量で、大きなストロークを得る事ができ、しかも効率の良いリニアモータを実現すべく発明したものである。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明のリニアモータは、モータハウジング内に回転のみ自在に支持された駆動側部材と、このモータハウジング内でこの駆動側部材の外周面に固定したロータと、その内周面をこのロータの外周面に対向させた状態で上記モータハウジング内に固定したステータと、上記駆動側部材の内径よりも小さな外径を有し、この駆動側部材に対し偏心した状態でこの駆動側部材の内径側に、回転及び軸方向に亙る変位自在に支持された被駆動側部材と、この被駆動側部材の外周面と上記駆動側部材の内周面とのうちの何れか一方の周面に形成された螺旋状のねじ溝と、上記被駆動側部材の外周面と上記駆動側部材の内周面とのうちの他方の周面に円周方向に亙って形成された、上記ねじ溝と同じピッチを有する係合溝と、上記被駆動側部材の一部にスラスト荷重を支承自在な転がり軸受により結合された出力部材とを備える。そして、上記ねじ溝の円周方向の一部と上記係合溝の円周方向の一部とを互いに噛合させている。
【０００４】
尚、上述の様な本発明のリニアモータを構成する各構成要件中、上記駆動側部材と上記被駆動側部材との組み合わせ状態としては、例えば次の▲１▼〜▲３▼の様な態様が考えられる。
▲１▼  上記駆動側部材を、その内周面に雌ねじを形成したナット部材とし、上記被駆動側部材を、その外周面に雄ねじを形成したねじ杆状のものとし、このねじ杆状の被駆動部材を上記ナット部材に対し平行に配置して、上記雌ねじの円周方向の一部と上記雄ねじの円周方向の一部とを互いに噛合させる。
▲２▼  上記駆動側部材の内周面に、それぞれが円周方向に設けられた互いに平行な複数本の突条を、上記被駆動側部材の外周面に雄ねじを、それぞれ形成すると共に、上記駆動側部材と上記被駆動側部材とを互いに平行に配置して、上記突条の円周方向の一部と上記雄ねじの円周方向の一部とを互いに噛合させる。
▲３▼  上記被駆動側部材の外周面に、それぞれが円周方向に設けられた互いに平行な複数本の突条を、上記駆動側部材の内周面に雌ねじを、それぞれ形成すると共に、上記被駆動側部材と上記駆動側部材とを互いに平行に配置して、上記突条の円周方向の一部と上記雌ねじの円周方向の一部とを互いに噛合させる。
【０００５】
【作用】
上述の様に構成する本発明のリニアモータは、通電に基づいて駆動側部材を回転させる事により、被駆動側部材を回転させつつ軸方向に変位させ、出力部材により、この被駆動側部材の軸方向変位を取り出す。
即ち、通電に基づいて、その外周面にロータを固定した駆動側部材が回転し、この駆動側部材の回転に伴って上記被駆動側部材が、ねじ溝と係合溝との係合に基づき、回転する。この際、これらねじ溝の周速と係合溝の周速とは互いに等しくなる。又、互いに噛合するねじ溝のピッチと係合溝のピッチとは互いに等しい。これに対して、これらねじ溝のピッチ円直径と係合溝のピッチ円直径とは異なる為、上記駆動側部材が１回転する間に、上記被駆動側部材は１回転以上回転する。この結果、被駆動側部材が駆動側部材よりも余分に回転する分だけ、この被駆動側部材及びこの被駆動側部材に結合した出力部材が軸方向に変位する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１〜３は、前述の▲１▼に対応する、本発明の実施の形態の第１例を示している。本例のリニアモータ１は、モータハウジング２の内側に、駆動側部材である円筒状のナット部材３を、回転のみ自在に支持している。即ち、上記モータハウジング２は、有底円筒状のハウジング本体４の開口部を円板状の蓋体５で塞ぐ事により、中空に構成している。又、上記ナット部材３の軸方向中間部の内径は、この中間部以外の部分の内径よりも小さくし、この中間部に、ピッチ円直径がＤ0 である雌ねじ６を形成している。又、上記ナット部材３の中間部外周面には、ロータ７を外嵌固定している。一方、上記モータハウジング２の内周面にはステータ８を固定し、このステータ８の内周面と上記ロータ７の外周面とを近接対向させている。尚、本例の場合、駆動用のモータとして交流モータを使用している。但し、このモータの構造自体は、特に限定するものではないし、本発明の要点でもない為、詳しい説明は省略する。
【０００７】
上記ナット部材３は、このナット部材３の両端部外周面と、上記ハウジング本体４を構成する底板部９の内面並びに上記蓋体５の内面との間に設けた、深溝型若しくはアンギュラ型の玉軸受１０、１０により、上記モータハウジング２の内側中心部に、回転のみ自在に（軸方向に亙る変位不能に）支持している。従って上記ナット部材３は、上記ステータ８への通電に基づき、上記モータハウジング２内で（軸方向に変位する事なく）回転する。
【０００８】
又、上記モータハウジング２には、円杆状の被駆動側部材１１を、回転及び軸方向に亙る変位自在に支持している。この被駆動側部材１１の外径は、上記ナット部材３の中間部で上記雌ねじ６を形成した部分の内径よりも小さい。又、この被駆動側部材１１の中間部外周面には、ピッチ円直径がｄ0 である雄ねじ１２を形成している。この様な被駆動側部材１１は、上記モータハウジング２の中心部から少しだけ（次述するδ分だけ）ずれた部分に、回転及び軸方向に亙る変位自在に支持している。即ち、上記モータハウジング２を構成する上記ハウジング本体４の底板部９及び蓋体５の中心部に形成した支持筒部１４、１４の内側に上記被駆動側部材１１の中間部両端寄り部分を、滑り軸受、ニードル軸受等の、ラジアル荷重を支承するがスラスト荷重を支承しない軸受１３、１３により、支持している。この状態で上記被駆動側部材１１の中心軸は、上記ナット部材３の中心軸に対して、ピッチ円直径の差の１／２であるδ｛＝（Ｄ0 −ｄ0 ）／２｝だけ偏心している。従って、上記被駆動側部材１１の外周面に形成された雄ねじ１２は、上記ナット部材３の内周面に形成した雌ねじ６に対して、円周方向の一部のみ噛合している。本例の場合、これら雄ねじ１２と雌ねじ６とのうちの一方が、請求項に記載したねじ溝に相当し、他方が同じく係合溝に相当する。
【０００９】
又、上記被駆動側部材１１の先端部（図１の右端部）には、出力部材１５を、スラスト荷重を支承する軸受である、深溝型の玉軸受１６により結合している。従って上記出力部材１５は、上記被駆動側部材１１に対して回転しつつ、この被駆動部材１１と同期して、軸方向に亙り変位する。
更に、図示の例では、上記モータハウジング２を構成する蓋体５の外側面と上記出力部材１５との間に、圧縮コイルばね１７等の予圧手段を設けている。そして、この圧縮コイルばね１７の弾力により、上記出力部材１５を介して上記被駆動側部材１１にスラスト荷重を負荷する事で、上記雄ねじ１２と雌ねじ６との噛合部に予圧を付与している。これにより、上記出力部材１５にスラスト荷重が負荷されていない状態でも、上記ナット部材３から上記被駆動側部材１１に動力を伝達する際に、上記噛合部に滑りが生じない様にしている。但し、上述の様な予圧手段は、リニアモータ１が、上記出力部材１５に常にスラスト荷重が負荷されている状態で使用されるのであれば、必ずしも必要ではない。
【００１０】
上述の様に構成する本例のリニアモータ１は、前記ステータ８への通電に基づいて、前記ロータ７を固定したナット部材３を回転させる事により、上記被駆動側部材１１を回転させつつ軸方向に変位させ、上記出力部材１５により、この被駆動側部材１１の軸方向変位を取り出す。即ち、この出力部材１５を軸方向に亙り変位させる際には、上記ステータ８への通電に基づいて、上記ロータ７をその外周面に固定したナット部材３を所定方向に回転させる。
【００１１】
このナット部材３の回転に伴って上記被駆動側部材１１が、上記雌ねじ６と雄ねじ１２との係合に基づき、回転する。この際、これら雌ねじ６の周速と雄ねじ１２の周速とは互いに等しくなる。又、図３に示す様に、互いに噛合する、上記雌ねじ６のピッチＰと雄ねじ１２のピッチＰとは互いに等しい。これに対して、これら雌ねじ６のピッチ円直径Ｄ0 と雄ねじ１２のピッチ円直径ｄ0 とは互いに異なる（Ｄ0 ＞ｄ0 ）。この為、上記ナット部材３が１回転する間に、上記被駆動側部材１１は１回転以上（Ｄ0 ／ｄ0 回）回転する。
【００１２】
この結果、この被駆動側部材１１が上記ナット部材３よりも余分に回転する分｛ナット部材３が１回転する毎に（Ｄ0 ／ｄ0 ）−１回分｝だけ、上記被駆動側部材１１及びこの被駆動側部材１１に結合した上記出力部材１５が軸方向に［Ｐ・｛（Ｄ0 ／ｄ0 ）−１｝分］変位する。この被駆動側部材１１は、回転しつつ軸方向に変位するが、出力部材１５はこの被駆動側部材１１に対して回転自在である為、この出力部材１５は、回転する事なく、軸方向に変位して、この出力部材１５の先端部を結合した部材を押し引きする。
上記雌ねじ６と雄ねじ１２との係合状態は転がり接触に近く、滑り接触状態は僅かである。この為、これら雌ねじ６と雄ねじ１２との係合部での動力損失は僅かで、リニアモータ１全体として高い効率を得られる。
【００１３】
次に、図４は、やはり前述の▲１▼に対応する、本発明の実施の形態の第２例を示している。本例のリニアモータ１ａの場合には、被駆動側部材１１ａの先端部（図４の右端部）に、円筒状の出力部材１５ａを、深溝型の玉軸受１６により、上記被駆動側部材１１ａに対する回転及びこの被駆動側部材１１ａと同期した軸方向移動自在に結合している。モータハウジング２を構成する蓋体５の外側面と上記出力部材１５ａの基端部（図４の左端部）との間には、伸縮自在なベローズ１８を設けている。上述した第１例の様な予圧手段は、設けていない。又、上記モータハウジング２を構成するハウジング本体４の底板部９の外側面（図４の左側面）の中央部には、上記モータハウジング２を他の部分に結合する為の、結合筒１９の一端部（図４の右端部）を結合している。本例の構造の使用時には、この結合筒１９の他端部と上記出力部材１５ａの先端部（図４の右端部）とを、互いに間隔を拡縮すべき部分に結合枢支する。又、使用状態で上記結合筒１９と出力部材１５ａとには、互いに近づく方向のスラスト荷重が加わる。
【００１４】
更に、本例の場合には、ストロークを大きく（長く）すべく、上記被駆動部材１１ａとして長尺なものを使用し、この被駆動部材１１ａの外周面に、ほぼ全長に亙って雄ねじ１２ａを形成している。そして、この様な被駆動側部材１１ａを上記モータハウジング２の両端部に、それぞれ深溝型の玉軸受２０、２０により、回転及び軸方向に亙る変位自在に支持している。即ち、これら各玉軸受２０、２０を構成する外輪２１、２１を、上記モータハウジング２を構成するハウジング本体４の底板部９及び蓋体５の中心部に、締り嵌め若しくは接着により固定すると共に、上記各玉軸受２０、２０を構成する内輪２２、２２を、上記被駆動側部材１１ａに、隙間嵌により外嵌している。尚、本例の構造の場合には、この被駆動側部材１１ａの外周面に形成する雄ねじ１２ａとしては、加工コストが安い、三角山ねじでも良いが、上記各内輪２２、２２の内周面との摩擦状態を考慮した場合には、台形ねじを含む角ねじとする事が好ましい。その他の構成及び作用は、前述した第１例の場合と同様であるから、同等部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１５】
次に、図５は、本発明の実施の形態の第３例を示している。本例の場合には、駆動側部材であるナット部材３ａを、互いに同心である大径部２３と小径部２４とを段部２５により連続させる事により構成している。そして、このうちの小径部２４をモータハウジング２の内側中心部に、それぞれが深溝型若しくはアンギュラ型である１対の玉軸受１０、１０により回転のみ自在に支持すると共に、上記大径部２３を、上記モータハウジング２外に突出させている。そして、この大径部２３の内周面に、雌ねじ６ａを形成している。
【００１６】
又、上記小径部２４の中間部で、上記１対の玉軸受１０、１０の間部分には、ロータ７ａと整流子２６とを設けている。一方、上記モータハウジング２を構成するハウジング本体４の内周面で、上記ロータ７ａの外周面と対向する部分には永久磁石であるステータ８ａを、上記整流子２６の外周面と対向する部分には１対のブラシホルダ２７を、それぞれ設けている。そして、これら各ブラシホルダ２７に保持したブラシ２８、２８の先端面を上記整流子２６の外周面に、弾性的に押し付ける事により、上記ナット部材３ａを回転駆動する為の直流モータを構成している。
【００１７】
一方、軸状の出力部材１５ｂを上記小径部２４の内側に、滑り軸受、ニードル軸受等の、ラジアル荷重を支承するがスラスト荷重を支承しない軸受１３、１３により、回転及び軸方向に亙る変位自在に支持している。上記出力部材１５ｂの基端部（図５の右端部）で上記大径部２３の内側に位置する部分には被駆動側部材１１ｂを、アンギュラ型の玉軸受２９により支持している。上記出力部材１５ｂの基端部は、上記ナット部材３ａに対して、次述する雌ねじ６ａのピッチ円直径Ｄ0 と雄ねじ１２ｂのピッチ円直径ｄ0 との差の１／２｛δ＝（Ｄ0 −ｄ0 ）／２｝であるδ分、偏心させている。そして、この被駆動軸部材１１ｂの外周面に形成した雄ねじ１２ｂの円周方向一部と、上記大径部２３の内周面に形成した雌ねじ６ａの円周方向一部とを、互いに噛合させている。
【００１８】
尚、本例のリニアモータ１ｂは、上記出力部材１５ｂに、図５で左方向のスラスト荷重が加わる状態で使用する。上記玉軸受２９の外輪及び内輪は、上記被駆動軸部材１１ｂの内周面及び上記出力部材１５ｂの基端部外周面に、上記スラスト荷重に拘らずずれ動かない状態で嵌合させている。従って上記出力部材１５ｂは、上記被駆動軸部材１１ｂに対して回転はするが、軸方向に亙っては、この被駆動軸部材１１ｂと共に変位する。
【００１９】
上述の様に構成する本例のリニアモータ１ｂの場合、前記ブラシ２８、２８を通じて前記ロータ７ａに通電し、このロータ７ａをその外周面に固定した上記ナット部材３ａを回転駆動すると、上記雌ねじ６ａと雄ねじ１２ｂとの係合に基づき、上記被駆動軸部材１１ｂが回転しつつ軸方向に変位する。そして、このうちの軸方向に亙る変位を、上記出力部材１５ｂにより取り出し、この出力部材１５ｂの端部と係合した部材を変位させる。
【００２０】
次に、図６は、やはり前述した▲１▼に対応する、本発明の実施の形態の第４例を示している。本例は、本発明を扁平モータ（ディスク型モータ）に適用した場合に就いて示している。この為に本例のリニアモータ１ｃの場合には、扁平なモータハウジング２ａの内側に、駆動側部材であるナット部材３ｂと被駆動側部材１１ｃとを支持している。即ち、このモータハウジング２ａの軸方向中間部に上記ナット部材３ｂを、それぞれが深溝型若しくはアンギュラ型の玉軸受１０、１０により、回転のみ自在に支持している。又、上記ナット部材３ｂの中間部外周面で上記両玉軸受１０、１０同士の間部分に、扁平で円板状のロータ７ｂを固定している。そして、このロータ７ｂと、上記モータハウジング２ａを構成するハウジング本体４ａの底板部９ａの内面に設けたステータ８ｂとを、スラスト方向の隙間を介して近接対向させている。
【００２１】
一方、上記モータハウジング２ａの両端部には被駆動側部材１１ｃの中間部両端寄り部分を、それぞれが滑り軸受、ニードル軸受等の、ラジアル荷重を支承するがスラスト荷重を支承しない軸受１３、１３により、支持している。従って、上記被駆動側部材１１ｃは、上記モータハウジング２ａの内側に、回転及び軸方向に亙る変位自在に支持されている。そして、上記被駆動側部材１１ｃの外周面の中間部で上記１対の軸受１３、１３同士の間部分に形成した雄ねじ１２ｃの円周方向の一部と、上記ナット部材３ｂの内周面に全長に亙って形成した雌ねじ６ｂの円周方向の一部とを、互いに噛合させている。
【００２２】
更に、上記被駆動側部材１１ｃの内径側には、出力部材１５ｃを、スラスト荷重を支承する軸受である、深溝型若しくはアンギュラ型の玉軸受３０、３０により結合している。
上述の様に構成する本例のリニアモータ１ｃの場合、上記ナット部材３ｂを回転駆動すると、上記被駆動側部材１１ｃが回転しつつ軸方向に変位するので、このうちの軸方向に亙る変位を、上記出力部材１５ｃにより取り出し、この出力部材１５ｃの端部に係合した部材を変位させる。
【００２３】
次に、図７は、前述した▲２▼に対応する、本発明の実施の形態の第５例を示している。本例の場合には、軸状の被駆動側部材１１ｄの外周面に、それぞれが円周方向に設けられた互いに平行な複数本の突条３１、３１を、互いに等間隔に（等ピッチで）形成し、これら各突条３１、３１を形成した部分を、請求項に記載した係合溝としている。尚、これら各突条３１、３１のピッチＰは、ナット部材３の内周面に形成した雌ねじ６のピッチＰと同じにしている。
【００２４】
上述の様な本例の構造の場合も、上記ナット部材３を回転させると、上記被駆動側部材１１ｄが、回転しつつ軸方向に変位する。特に、本例の場合には、被駆動側部材１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃの外周面に雄ねじ１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃを形成した第１〜４例の場合に比べて、上記ナット部材３が１回転する毎の、上記被駆動側部材１１ｄの軸方向に亙る変位量が多くなる。即ち、本例の場合には、上記ナット部材３が１回転する毎に上記被駆動側部材１１ｄが、軸方向にＰ・（Ｄ0 ／ｄ0 ）分、変位する。その他の構成及び作用は、前述した第１〜４例の何れかと同様であるから、同等部分に関する図示並びに説明は省略する。
【００２５】
尚、図示は省略するが、図７に示した第５例の場合とは逆に、被駆動側部材の外周面に、複数の突条に代えて雄ねじを形成すると共に、ナット部材に代えて、それぞれが円周方向に設けられた互いに平行な複数本の突条を、被駆動側部材の外周面に形成した雄ねじと等ピッチでその内周面に形成して係合溝とした駆動側部材を設ける事もできる。又、複数本の突条を形成して係合溝とする構造を採用する場合に、被駆動側部材を駆動側部材に対し、θ＝ｔａｎ-1（Ｐ／π・Ｄ0 ）で表されるθ分だけ傾斜させて、突条とねじとの係合面の接触面積を広くする事もできる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、以上に述べた通り構成され作用するので、小型で効率が良く、しかも大きなストローク及び大きな力を得られて、各種機械装置の設計をし易いリニアモータを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の第１例を示す断面図。
【図２】一部を省略して示す、図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】一部を省略して示す、図２のＢ−Ｂ断面図。
【図４】本発明の実施の形態の第２例を示す断面図。
【図５】同第３例を示す断面図。
【図６】同第４例を示す断面図。
【図７】同第５例を示す、図３と同様の図。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ  リニアモータ
２、２ａ、２ｂ  モータハウジング
３、３ａ、３ｂ  ナット部材
４、４ａ  ハウジング本体
５    蓋体
６、６ａ、６ｂ、６ｃ  雌ねじ
７、７ａ、７ｂ  ロータ
８、８ａ、８ｂ  ステータ
９、９ａ  底板部
１０  玉軸受
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ  被駆動側部材
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ  雄ねじ
１３    軸受
１４    支持筒部
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ  出力部材
１６    玉軸受
１７    圧縮コイルばね
１８    ベローズ
１９    結合筒
２０    玉軸受
２１    外輪
２２    内輪
２３    大径部
２４    小径部
２５    段部
２６    整流子
２７    ブラシホルダ
２８    ブラシ
２９    玉軸受
３０    玉軸受
３１    突条
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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