(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転のみ自在に支持された駆動側部材と、この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アクチュエータ。
【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アクチュエータは、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】
例えば介護用のベッド等にはリニアアクチュエータを組み込んで、電動モータや手動ハンドルを駆動源として被介護者を寝かせたベッドの角度調節等を自在としている。この様なリニアアクチュエータには、電動モータや手動ハンドルの回転運動を出力部材の軸方向運動（直線運動）に変換する機能が要求される。又、比較的少ない動力で大きな荷重を、比較的高速で移動可能な構造を実現する為には、リニアアクチュエータとして効率の良い構造が必要になる。
【０００３】
一方、上述の様な用途に利用可能なリニアアクチュエータとして従来から、例えば特開昭６１−１８００６４号公報、同６２−２５１５６０号公報、実公昭５１−４４８７１号公報等に記載されたものが知られている。
このうちの特開昭６１−１８００６４号公報及び同６２−２５１５６０号公報に記載されたリニアアクチュエータは、回転のみ自在に設けた送りねじの周囲に移動部材を設け、この移動部材の内径側にナット部材を、回転自在に、且つこの送りねじに対し偏心させた状態で支持している。そして、この送りねじの外周面に形成した雄ねじの円周方向の一部を、上記ナット部材の内周面に形成した雌ねじの円周方向の一部と噛合させている。この様な構造の場合、上記送りねじを回転させると、上記ナット部材が上記移動部材の内径側で回転しつつ軸方向に移動するので、この移動部材から直線運動を取り出せる。
又、実公昭５１−４４８７１号公報に記載されたリニアアクチュエータは、回転のみ自在に設けた送りねじの周囲にナット部材を、この送りねじと同心に設け、これら送りねじの外周面とナット部材の内周面との間に複数個のローラねじを回転自在に支持している。この様な構造の場合、上記送りねじを回転させると、上記各ローラねじがこの回転を上記ナット部材に伝達してこのナット部材を軸方向に移動させるので、このナット部材から直線運動を取り出せる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の様な従来構造のうち、特開昭６１−１８００６４号公報及び同６２−２５１５６０号公報に記載されたリニアアクチュエータの場合には、効率は良いが、送りねじの周囲に配置したナット部材から直線運動を取り出す構造である為、取り出し部の構造が限定される。この為、前述した介護用ベッド、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、リフター等の用途には不向きである。
又、実公昭５１−４４８７１号公報に記載されたリニアアクチュエータの場合には、構造が複雑で小型化が難しく、コストも嵩む。
リニアアクチュエータとして従来からこの他にも、ボールねじ式の送りねじ機構、一般的な滑りねじ式の送りねじ機構等が知られている。但し、このうちのボールねじ式の送りねじ機構は、構造が複雑で小型化が難しく、コストも嵩む。又、一般的な滑りねじ式の送りねじ機構の場合には、摩擦損失が大きく効率が悪い。
本発明はこの様な事情に鑑みて、小型でしかも効率が良く、且つ各種用途に使用可能なリニアアクチュエータを実現すべく発明したものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のリニアアクチュエータは、回転のみ自在に支持された駆動側部材と、この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ている。
【０００６】
尚、上述の様な本発明のリニアアクチュエータとしては、次の(1) 〜(4) 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。
(4) 上記(2)(3)の何れかで、上記被駆動側部材の外周面に形成した雄ねじ又は駆動側部材の内周面に形成した雌ねじのピッチ、及び、上記駆動側部材の内周面又は被駆動側部材の外周面に形成した突条のピッチを、それぞれＰとし、上記駆動側部材の内周面に形成した雌ねじ又は突条のピッチ円直径をＤ0 とした場合に、上記被駆動側部材の中心軸を、β＝ tan-1｛Ｐ／（π・Ｄ0 ）｝で表される角度βだけ、上記駆動側部材の中心軸に対し傾斜させる。
【０００７】
【作用】
上述の様に構成する本発明のリニアアクチュエータは、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、上記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。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１〜４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。本例のリニアアクチュエータ１は、回転しないハウジング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、上記ハウジング２は、１対の半片４ａ、４ｂを最中状に組み合わせると共に突き合わせ部同士を互いに結合する事により、中空に構成している。又、上記ナット部材３は、軸方向片半部（図１の左半部）に設けた大径部５と他半部（図１の右半部）に設けた、この大径部５と同心の小径部６とを、段部７により連続させる事により、全体を段付の円筒状に構成している。又、このうちの小径部６の内周面には、ピッチ円直径がＤ0 である雌ねじ８を形成している。これに対して、上記大径部５の外周面にはウォームホイール歯１１を形成して、この大径部５がウォームホイールとして機能する様にしている。
【０００９】
この様なナット部材３は、上記小径部６の外周面と上記半片４ａの内周面との間に設けた、深溝型の玉軸受９により、上記ハウジング２の内側に、回転のみ自在に（軸方向に亙る変位不能に）支持している。又、上記ハウジング２にはウォーム１２を回転のみ自在に支持し、このウォーム１２と上記ウォームホイール歯１１とを噛合させている。更に、このウォーム１２を、図示しない電動モータ或はハンドルにより、回転駆動自在としている。
【００１０】
又、上記ハウジング２には、被駆動側部材１０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１０は、全体を円筒状に形成したもので、上記ナット部材３の内径よりも小さな外径を有する。又、この被駆動側部材１０の外周面には、ほぼその全長に亙り、ピッチ円直径がｄ0 である雄ねじ１３を形成している。この様な被駆動側部材１０は、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１４、１４により上記ハウジング２に、回転及び軸方向に亙る変位自在に支持している。この状態で上記被駆動側部材１０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｝だけ偏心させている。従って、上記被駆動側部材１０の外周面に形成された雄ねじ１３は、上記ナット部材３の内周面に形成した雌ねじ８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１３と雌ねじ８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。
【００１１】
又、上記被駆動側部材１０の内径側には軸状の出力部材１５の基端部を、それぞれがスラスト荷重を支承自在な転がり軸受である、１対の玉軸受１６、１６により、この出力部材１５に対する回転及びこの出力部材１５と同期した軸方向移動自在に結合している。
更に、図示の例では、前記ハウジング２の一部内周面に設けた凹溝２７の底面と上記軸受１４の外周面との間に、板ばね１７等の予圧手段を設けている。この予圧手段は、上記出力部材１５にスラスト荷重が負荷されていない場合でも、上記雌ねじ８と雄ねじ１３との係合部の摩擦抵抗を或る程度大きくし、これら雌ねじ８と雄ねじ１３との係合に基づく上記出力部材１５の軸方向変位が確実に行なわれる様にする役目を果たす。即ち、上記予圧手段は、上記雌ねじ８と雄ねじ１３との係合部の摩擦抵抗を、上記軸受１４部分の抵抗並びに前記各玉軸受１６、１６部分の転がり抵抗よりも大きくする為に設ける。尚、この様な予圧手段は、本発明のリニアアクチュエータ１の機能上、必ずしも必要ではない。特に、リニアアクチュエータ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、不要である。
【００１２】
上述の様に構成する本例のリニアアクチュエータ１は、前記ウォーム１２を介して前記ナット部材３を回転させる事により、前記被駆動側部材１０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１０の軸方向変位を取り出す。
【００１３】
即ち、上記リニアアクチュエータ１を伸縮させる際には、図示しない電動モータ或はハンドルにより、上記ウォーム１２を介して上記ナット部材３を所定方向に回転させる。このナット部材３の回転に伴って上記被駆動側部材１０が、上記雌ねじ８と雄ねじ１３との係合に基づき、回転する。この際、これら雌ねじ８の周速と雄ねじ１３の周速とは互いに等しくなる。又、図４に示す様に、互いに噛合する、上記雌ねじ８のピッチＰと雄ねじ１３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８のピッチ円直径Ｄ0 と雄ねじ１３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１０は１回転以上（Ｄ0 ／ｄ0 回）回転する。この結果、この被駆動側部材１０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１０及びこの被駆動側部材１０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１０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１０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。
【００１４】
上記雌ねじ８と雄ねじ１３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８と雄ねじ１３との係合部での動力損失は僅かで、リニアアクチュエータ１全体として高い伝達効率を得られる。又、出力部材１５をリニアアクチュエータ１の中心軸部分に設けている為、直線運動の取り出しが容易で、構成部材が少なく、小型に軽量できる事と合わせて、各種用途に利用できる。
【００１５】
次に、図５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。本例の場合には、駆動側部材であるナット部材３ａを構成する、互いに同心である大径部５ａと小径部６ａとの直径差を、上述した第１例の場合よりも大きくしている。従って、上記大径部５ａと小径部６ａとを連続させる段部７ａの直径方向に亙る幅寸法は、上述した第１例の場合よりも大きい。
【００１６】
上述の様なナット部材３ａは、上記小径部６ａの両端部をハウジング２ａの内側に、それぞれが深溝型である、１対の玉軸受９ａ、９ｂにより、回転のみ自在に支持している。本例の場合には、上記小径部６ａの中間部外周面に、図示しない段付ベルト、或はギヤ等の駆動部材を係合させて上記ナット部材３ａを回転駆動する為の被駆動部１８を設けている。又、上記大径部５ａの内周面に雌ねじ８ａを形成している。
【００１７】
一方、軸状の出力部材１５ａを上記小径部６ａ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１４、１４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１５ａの基端部（図５の右端部）で上記大径部５ａの内側に位置する部分には被駆動側部材１０ａを、アンギュラ型の玉軸受１９により支持している。上記出力部材１５ａの基端部は、上記ナット部材３ａに対して、次述する雌ねじ８ａのピッチ円直径Ｄ0 と雄ねじ１３ａ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１０ａの外周面に形成した雄ねじ１３ａの円周方向一部と、上記大径部５ａの内周面に形成した雌ねじ８ａの円周方向一部とを、互いに噛合させている。尚、本例のリニアアクチュエータ１ａは、上記出力部材１５ａ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１９の外輪及び内輪は、上記被駆動側部材１０ａの内周面及び上記出力部材１５ａ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１５ａは、上記被駆動側部材１０ａに対して回転はするが、軸方向に亙っては、この被駆動側部材１０ａと共に変位する。
【００１８】
上述の様に構成する本例のリニアアクチュエータ１ａの場合、図示しない駆動部材により上記ナット部材３ａを回転駆動すると、上記雌ねじ８ａと雄ねじ１３ａとの係合に基づき、上記被駆動側部材１０ａ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１５ａにより取り出し、この出力部材１５ａの先端部を結合した部材を変位させる。
【００１９】
上述の様な本例の構造の場合には、ストロークを大きくする事が難しい代わりに、外径を小さくして、限られた空間への設置が容易になる。
尚、本例の構造を実施する場合、図５の左端部に鎖線で示す様に、上記出力部材１５ａにスラスト荷重を付与する、予圧部材である圧縮ばね２０を設ける事もできる。
【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３例を示している。本例の場合には、ハウジング２ｂの内側に、ナット部材３ｂと被駆動側部材１０ｂとを支持している。即ち、このハウジング２ｂの軸方向中間部に上記ナット部材３ｂを、それぞれが深溝型の玉軸受９、９により、回転のみ自在に支持している。又、このナット部材３ｂの中間部外周面で上記両玉軸受９、９同士の間部分に、ギヤ２４或は図示しない段付ベルト等の駆動部材を係合させて上記ナット部材３ｂを回転駆動する為の、被駆動部１８ａを設けている。
【００２１】
一方、上記ハウジング２ｂの両端部には、それぞれが深溝型である１対の玉軸受２１、２１の外輪２２、２２を、締り嵌めで内嵌する事により、或は接着する事により、それぞれ固定している。そして、上記各玉軸受２１、２１の内輪２３、２３を、それぞれ上記被駆動側部材１０ｂの中間部に、それぞれ隙間嵌により外嵌している。従って、この被駆動側部材１０ｂは、上記ハウジング２ｂ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１０ｂの外周面に、ほぼ全長に亙って形成した雄ねじ１３ｂ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８ｂの円周方向の一部とを、互いに噛合させている。尚、上記雄ねじ１３ｂ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２３、２３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。
【００２２】
更に、上記被駆動側部材１０ｂの先端部（図６の右端部）には、出力部材１５ｂを、スラスト荷重を支承する軸受である、深溝型の玉軸受２５により結合している。
上述の様に構成する本例のリニアアクチュエータ１ｂ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１０ｂ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１５ｂにより取り出し、この出力部材１５ｂの先端部を結合した部材を変位させる。
【００２３】
次に、図７は、前述した(3) に対応する、本発明の実施の形態の第４例を示している。本例の場合には、軸状の被駆動側部材１０ｃ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２６、２６を、互いに等間隔に（等ピッチで）形成し、これら各突条２６、２６を、請求項に記載した係合溝としている。尚、これら各突条２６、２６のピッチＰは、ナット部材３の内周面に形成した雌ねじ８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１０ｃ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１０〜１０ｂの外周面に雄ねじ１３、１３ａ、１３ｂを形成した第１〜３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１０ｃ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１０ｃ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１〜３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】
次に、図８は、前述した(4) に対応する、本発明の実施の形態の第５例を示している。本例の場合も、上述した第４例の場合と同様に、軸状の被駆動側部材１０ｃの外周面に互いに平行な複数本の突条２６、２６を互いに等間隔に形成して、この被駆動側部材１０ｃの外周面に係合溝を形成している。特に、本例の場合には、上記被駆動側部材１０ｃの中心軸を、ナット部材３の中心軸に対し、角度βだけ傾斜させている。この傾斜角度βは、このナット部材３の内周面に形成した雌ねじ８及び上記被駆動側部材１０ｃの外周面に形成した突条２６、２６のピッチをＰとし、上記雌ねじ８のピッチ円直径をＤ0 とした場合に、β＝ tan-1｛Ｐ／（π・Ｄ0 ）｝とする。
この様な本例の場合も、上記ナット部材３を回転させると、上記被駆動側部材１０ｃが、回転しつつ軸方向に変位する。被駆動側部材１０ｃを傾斜させた点以外の構成及び作用は、上述した第４例の場合と同様である。
【００２６】
尚、図示は省略するが、図７〜８に示した第４〜５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。
【００２７】
【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、しかも組み付け状態の自由度が高く、各種機械装置の設計をし易いリニアアクチュエータを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の第１例を示す要部断面図。
【図２】一部を省略して示す、図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】同Ｂ−Ｂ断面図。
【図４】一部を省略して示す、図２のＣ−Ｃ断面図。
【図５】本発明の実施の形態の第２例を示す要部断面図。
【図６】同第３例を示す要部断面図。
【図７】同第４例を示す、図４と同様の図。
【図８】同第５例を示す、図４と同様の図。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ  リニアアクチュエータ
２、２ａ、２ｂ  ハウジング
３、３ａ、３ｂ  ナット部材
４ａ、４ｂ  半片
５、５ａ  大径部
６、６ａ  小径部
７、７ａ  段部
８、８ａ、８ｂ  雌ねじ
９、９ａ、９ｂ  玉軸受
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  被駆動側部材
１１    ウォームホイール歯
１２    ウォーム
１３、１３ａ、１３ｂ  雄ねじ
１４    軸受
１５、１５ａ、１５ｂ  出力部材
１６    玉軸受
１７    板ばね
１８、１８ａ  被駆動部
１９    玉軸受
２０    圧縮ばね
２１    玉軸受
２２    外輪
２３    内輪
２４    ギヤ
２５    玉軸受
２６    突条
２７    凹溝
【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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【図８】
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