(57)【要約】【課題】  装置の小型化と振動の発生や破断の防止を図り得るアクチュエータを提供する。【解決手段】  基台上に配置された一対の軸受部材によって両端を回転可能に支持された送りねじ軸を回転駆動するとともに、該送りねじ軸に螺合する送りねじナットを移動体に固定し、該移動体を上記基台上に上記送りねじ軸に沿って設けられた案内レールに従って移動させるように構成したアクチュエータにおいて、上記移動体８とその両側の軸受部材５ａ，５ｂとの間に、上記送りねじ軸１のラジアル荷重を受けると共に該送りねじ軸１方向に上記移動体８と連動する一対の中間サポート２０Ａ，２０Ｂを上記送りねじ軸１に移動可能に取付け、上記移動体８の動きをラックとピニオン機構を介して上記中間サポート２０Ａ，２０Ｂに伝達する構造。【選択図】        図４
2006161868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台上に配置された一対の軸受部材によって両端を回転可能に支持された送りねじ軸を回転駆動するとともに、該送りねじ軸に螺合する送りねじナットを移動体に固定し、該移動体を上記基台上に上記送りねじ軸に沿って設けられた案内レールに従って移動させるように構成したアクチュエータにおいて、上記移動体とその両側の軸受部材との間に、上記送りねじ軸のラジアル荷重を受けると共に該送りねじ軸方向に上記移動体と連動する一対の中間サポートを上記送りねじ軸に移動可能に取付け、上記移動体の動きをラックとピニオン機構を介して上記中間サポートに伝達したことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
上記中間サポートをそれぞれ支持する支持ブラケットを上記案内レールに沿って移動可能に設けるとともに、上記支持ブラケット相互間をラック面を備えた連結棒で連結し、かつ上記移動体に、上記送りねじ軸と直交する方向の軸を回転自在に取り付け、該軸の一端に大歯車を、他端に小歯車を設け、上記大歯車を上記送りねじ軸に沿って設けられたラックに噛合させ、かつ上記小歯車を、上記連結棒に設けられたラックに噛合させ、上記送りねじ軸に従って上記移動体の最大限の移動距離を許容する範囲内で、上記中間サポートが上記移動体と軸受部材との間を移動するように上記大歯車と小歯車の径比を設定したことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、装置の小型化と振動の発生や破断を防止し得るアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、これまでのアクチュエータは、例えば、図７に示すような構成になっている。
まず、基台２０１があり、この基台２０１上にはボールねじ２０３が配置されている。このボールねじ２０３は、その両端を上記基台２０１上に設置された軸受け部材２０５、２０７によって回転可能に支持されている。又、モータ２０９が配置されていて、上記ボールねじ２０３は、このモータ２０９の出力軸に、図示しないカップリング機構を介して連結されている。上記ボールねじ２０３にはボールねじナット２１１が螺合していて、このボールねじナット２１１にはスライダ２１３が取付けられている。このスライダ２１３は、スライダ本体２１５と、このスライダ本体２１５に取付けられたガイドブロック２１７から構成されている。又、基台２０１側にはレール２１９が設けられていて、上記ガイドブロック２１７はこのレール２１９に移動可能に係合している。
【０００３】
上記構成によると、モータ２０９を適宜の方向に回転させると、ボールねじ２０３が同方向に回転する。このボールねじ２０３の回転によって、その回転を規制されているボールねじナット２１１が適宜の方向に移動する。このボールねじナット２１１の移動によって、スライダ２１３も同方向に移動していくことになる。
【０００４】
ところで、上記構成をなすアクチュエータにおいては次のような問題があった。
すなわち、上記アクチュエータは、回転運動を直線運動に変換するものであり、その際、ボールねじ２０３に固有振動数（ｆ）が存在しているため、ボールね２０３の回転数が固有振動数（ｆ）と一致する領域ではボールねじ２０３が大きく振動してしまうことになる。この固有振動数（ｆ）はボールねじ２０３の長さ、太さ、ボールねじ２０３の端部における支持状態等によって決定される。そこで、ボールねじ２０３の回転数がボールねじ２０３の固有振動数（ｆ）に対して共振しないような工夫が必要になってくる。
ところで、軸の固有振動数（ｆ）は、一般に、次の式（Ｉ）によって求められる。
【０００５】
【数１】
2006161868.tif 000003
L:取付間距雌
E:縦弾性係数
Ｉ:ねじ軸断面の最小二次モーメント
Ａ:ねじ軸断面積
ρ:材料の密度
【０００６】
そして、上記式(Ｉ)によって求められた固有振動数（ｆ）に対して、その８０％以下を許容回転数（ｎ）としている。例えば、図８に示すような取付状態を例にとって考察してみる。尚、図８においては、図７における構成部品と同じものには同一符合を付して示している。この図８に示すような取付状態の場合において、その固有振動数（ｆ）が最低となるのは、図中距離（Ｂ）が最大になったときである。そして、そのときの許容回転数（ｎ）は次の式(ＩＩ)に示すようなものである。
【０００７】
【数２】
2006161868.tif 000004
λ＝３．９２７
α＝０．８
【０００８】
このように、ボールネジ２０３の回転数をその固有振動数（ｆ）に対して共振しないような値、すなわち、固有振動数（ｆ）の８０％以下に設定することにより、共振による振動を抑制することができる。
しかしながら、式(Ｉ)、(ＩＩ)は、仮に、ボールネジ２０３のねじ軸断面積（Ａ）が同じで、その長さ（Ｌ）が2倍になると、許容回転数（ｎ）が１／４に低下することを示しており、機器の高速化にとって問題となっていた。
【０００９】
これに対しては、図７に示すような取付状態において、中間（ボールナット２１１と軸受部材２０７の間、ボールナット２１１と軸受部材２０５の間）にサポートを取付けることにより、ボールネジ２０３の固有振動数（ｆ）そのものを高めて、それによって、許容回転数(n)を高めようとすることが考えられている。そのようなものの一例を図９に示す。この図９に示す構成は、基台２０１上に中間サポート２２１を取付けて、この中間サポート２２１によって、ボールネジ２０３を支持しようとするものである。そして、このような中間サポート２２１を設置した場合には、ボールナット２１１、スライダ２１３等、ボールネジ２０３の回転によって移動するものとの干渉が懸念される。そこで、図９に示すように、リミットスイッチ２２３を設け、該リミットスイッチ２２３によって、上記ボールナット２１１、スライダ２１３等、ボールネジ２０３の回転によって移動するものの接近を検知し、それによって、中間サポート２２１を待機位置に退避させる構成になっている(特許文献１参照)。
【００１０】
又、別の発明として特許文献２に示すものがある。ここに示されている構造では、中間位置に予め支持部材が係留するような窪みを基台に形成し、該窪みにバネを利用して支持部材を位置決めする。そして、スライダが支持部材に当接する事で係留を解放して移動させる構造である。
【特許文献１】特許第３２２１８０４
【特許文献２】特開平１−２４７８６２号公報
【特許文献３】特開平２−６６３５９号公報
【特許文献４】特開平６−１２９５１０号公報
【特許文献５】特開平３−１４９５４号公報
【特許文献６】特開平２−７２２５４号公報
【特許文献７】実開平７−７８３２号公報
【特許文献８】実開平６−７８６５９号公報
【特許文献９】実開平４−３９３５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の特許文献１（特許第３２２１８０４号）にあっては、中間サポートを紐体により移動させられていたため、急激な加速、減速時に紐が伸縮し、振動の発生や、破断という課題があった。
また、特許文献２（特開平１−２４７８６２号公報）にあっては、装置の構成の複雑化、大型化を帰するという課題があった。
【００１２】
本発明は、中間サポートの移動をラックとピニオン機構により行うことで、装置の小型化と振動の発生や破断という、上記の問題点を解決することができるアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するため、基台上に配置された一対の軸受部材によって両端を回転可能に支持された送りねじ軸を回転駆動するとともに、該送りねじ軸に螺合する送りねじナットを移動体に固定し、該移動体を上記基台上に上記送りねじ軸に沿って設けられた案内レールに従って移動させるように構成したアクチュエータにおいて、上記移動体とその両側の軸受部材との間に、上記送りねじ軸のラジアル荷重を受けると共に該送りねじ軸方向に上記移動体と連動する一対の中間サポートを上記送りねじ軸に移動可能に取付け、上記移動体の動きをラックとピニオン機構を介して上記中間サポートに伝達したことにある。
また、本発明は、上記中間サポートをそれぞれ支持する支持ブラケットを上記案内レールに沿って移動可能に設けるとともに、上記支持ブラケット相互間をラック面を備えた連結棒で連結し、かつ上記移動体に、上記送りねじ軸と直交する方向の軸を回転自在に取り付け、該軸の一端に大歯車を、他端に小歯車を設け、上記大歯車を上記送りねじ軸に沿って設けられたラックに噛合させ、かつ上記小歯車を、上記連結棒に設けられたラックに噛合させ、上記送りねじ軸に従って上記移動体の最大限の移動距離を許容する範囲内で、上記中間サポートが上記移動体と軸受部材との間を移動するように上記大歯車と小歯車の歯数比を設定したことにある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のアクチュエータの効果としては、構成の複雑化、装置の大型化をすることなく、きわめて簡単な構成によって、送りねじ軸の支持構造を得ることができる。そして、送りねじ軸固有振動数ひいては許容回転数を高めることを可能とし、それによって高速化、ロングストロークに容易に対応することが可能になる。また、ラックとピニオン機構にすることで、長寿命、剛性、かつ加速度が高くなるなどの効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
図１（ａ）（ｂ）は、本発明の実施の形態によるアクチュエータの構造を示す断面図である。図２は、図１（ａ）のテーブルが左方に移動した状態を示す断面図である。
図１（ａ）（ｂ）において、１は例えばボールねじ等を用いた送りねじ軸、２はこの送りねじ軸１に螺合されたボールナット等を用いた送りねじナットである。送りねじ軸１の両端部は、基台３に間隔Ｌを隔てて固定された２個のフランジ４ａ，４ｂにそれぞれ取り付けられた軸受部材５ａ，５ｂによって回転自在に支持されている。上記送りねじ軸１の一方の軸端は、カップリング７を介して、軸受けフランジ４ａの外面に固着されたプレート６に取り付けられたモータ１０の出力シャフト１０ａに連結されている。
【００１６】
上記送りねじナット２は、図３に示すように、上記送りねじ軸１が貫通された移動体としてのテーブル８の貫通孔８ａの片側端面に筒状の基端部２ａを圧入して取り付けられている。上記テーブル８は、基台３上に送りねじ軸１と平行に配置されているリニアガイド３Ａ上に支承され、上方に突出した左右のテーブル面８Ａ相互間を、フランジ４ａ，４ｂ間に張設されたカバー１８により覆われている。このリニアカイド３Ａは、軸方向に長く延び、基台３上に固定された案内レール９と、該案内レール９の上に移動可能に跨架されたテーブル８の下面に固定されたスライダ１１とを備えている。該案内レール９の両外側面とスライダ１１の内側面には、互いに対向するボール転動溝（図示せず）が配設され、これらの両ボール転動溝の間には、多数のボールが転動自在に装填され、そのボールの転動を介してスライダ１１が案内レール９上を軸方向に軽く移動するようにしたものである。
【００１７】
上記テーブル８と軸受部材５ａ，５ｂとの間には、前記案内レール９上に２個のスライダ２１Ａ，２１Ｂが取り付けられている。
そして、これら２個のスライダ２１Ａ，２１Ｂの上面に、ブラケット２２Ａ，２２Ｂが固定され、これらブラケット２２Ａ，２２Ｂに、送りねじ軸１のラジアル荷重を受けられる一対の中間サポート２０Ａ，２０Ｂが回転可能に支持されている。該ブラケット２２Ａ，２２Ｂには、貫通孔２２ｃが設けられ、該貫通孔２２ｃには、該貫通孔２２ｃの内周面と中間サポート２０Ａ，２０Ｂの外周面とに僅かな隙間を設けて、該中間サポート２０Ａ，２０Ｂが回転可能に支持されている。該中間サポート２０Ａ，２０Ｂは、一端にフランジ２３Ａ，２３Ｂが設けられ、該フランジ２３Ａ，２３Ｂが上記ブラケット２２Ａ，２２Ｂの片面に係止されて取り付けられている。
この中間サポート２０Ａ，２０Ｂの外周面には、止め輪１７が装着されて上記フランジ２３Ａ，２３Ｂと止め輪１７によって上記ブラケット２２Ａ，２２Ｂの両側壁面を挟み、上記ブラケット２２Ａ，２２Ｂに組み付けられている。
各中間サポートは２０Ａ，２０Ｂは、すべり軸受けであり、送りねじ軸１が僅かな隙間を保って挿通されている。
【００１８】
これら中間サポート２０Ａ，２０Ｂは、ねじナット２の両側に位置して配設され、およそＬ×Ｚ２／Ｚ１の間隔をへだてて連結棒１２とブラケット２２Ａ，２２Ｂとが締結されることで連動的に連結している。テーブル８の幅方向には、送りねじ軸１と直交する方向の孔８ｂが形成され、この孔８ｂには、軸１３が回転自在に支持されている。この軸１３の両端には、大歯車１４(ピッチ円径Ｚ１)と小歯車１５(ピッチ円径Ｚ２)とが固定装着され、基台１上に送りねじ軸１と平行に固定されたラック１６と上記大歯車１４が噛み合い、上記小歯車１５が連結棒１２の長手方向に設けられたラック１２ａと噛み合うように配設されている。上記中間サポート２０Ａ，２０Ｂは、テーブル８が移動すると、ラック１６と噛み合いながら大歯車１４が回転するように構成されており、この大歯車１４の回転が、軸１３を介して小歯車１５に伝達されるように構成されている。この小歯車１５は、連結棒１２に設けられたラック１２ａに噛合し、小歯車１５の回転に応じた長さだけ、連結棒１２を移動する。連結棒１２はテーブル８の移動した距離、△LのＺ２／Ｚ１分だけ連動して移動することが可能となる。上記送りねじ軸１に従って上記テーブル８の最大限の移動距離を許容する範囲内で、上記中間サポート２０Ａ，２０Ｂが上記テーブル８と軸受部材５ａ，５ｂとの間を移動するように上記大歯車１４と小歯車１５のピッチ円径比Ｚ２／Ｚ１を設定している。
【００１９】
次に、上記の実施の形態の作用を説明する。
モータ１０を駆動すると、モータ１０の回転に伴って、送りねじ軸１が所定の方向へ回転する。これにより、送りねじ軸１に螺合している、ねじナット２が、たとえば、図１（ａ）で左方に移動し、これに伴ってテーブル８がリニアガイド３Ａに案内されつつ、図示、左方に移動する。
このとき、送りねじ軸１の支点間距離Ｌが長いと、Ｌ2の値に反比例する危険速度ｕの値が小さいから、送りねじ軸１は比較的低速で共振するおそれがある。
しかし、ねじナット２を挟むようにして中間サポート２０Ａ，２０Ｂを設けたため、支点間距離(支持スパン)が最大値でもＬ／２となり、その結果危険速度はｕの４倍と大幅にアップし、共振しにくくなる。この実施例では、ねじナット２の動きに対して一対の中間サポート２０Ａ，２０Ｂとがラック１６と大歯車１４かつ連結棒１２と小歯車１５との噛合を介して大歯車１４と小歯車１５のピッチ円径比Ｚ２／Ｚ１に従って連動する。
【００２０】
すなわち、今、図５において、両側の軸受５ａ，５ｂ間の距離Ｌを右側から１／４づつに区切る点をＰ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４とする。
ねじナット２と中間サポート２０Ａ，２０Ｂとが共に送りねじ軸１の右端Ｐ０点にあるとする（図５（ａ））。このとき支持スパンは、送りねじ軸１の左端（Ｐ４点）と中間サポート２０Ａ（Ｐ２点）間において最長で、Ｐ２〜Ｐ４＝Ｌ／２である。この状態から、テーブル８が左方に移動し、これに伴い、ねじナット２が左方に移動しつつ、ラック１６に沿って大歯車１４が回転し、軸１３の回転に伴って小歯車１５が回転し、小歯車１５の回転とともに連結棒１２が移動し、中間サポート２０Ａ，２０Ｂを移動させる。ラック１６と大歯車１４、かつ連結棒１２と小歯車１５との噛み合い機構の作用で、ねじナット２の移動量△Ｌに対して、△Ｌ×Ｚ２／Ｚ１の割合で中間サポート２０Ａ，２０Ｂも移動する。Ｚ２／Ｚ１＝０．５とすると、ねじナット２の移動量に対して１／２の割合で中間サポート２０Ａ，２０Ｂも移動する。したがって、ねじナット２が右端からＬ／４移動してＰ１点に達したとき、左端の軸受け５ａと中間サポート２０Ａ間の支持スパンａは、ａ＝３／８Ｌになり、従来の場合におけるＬ／２より短縮されている（図５（ｂ））。
【００２１】
更に、ねじナット２がＬ／４左方に移動してＰ２点に達したときは、中間サポート２０ＡはＬ／８左方に進行しており、Ｐ３点の位置になり、支持スパンａはａ＝Ｌ／４に縮小している（図５（ｃ））。
これから更にねじナット２がＬ／４左方に移動してＰ３点に達したときは、中間サポート２０ＡはＬ／８左方に進行しており、Ｐ３〜Ｐ４点の中間の位置になり、支持スパンａはａ＝Ｌ／８に縮小している（図５（ｄ））。
また更にねじナット２がＬ／４左方に移動してＰ４点に達したときは、中間サポート２０Ａは、Ｌ／８左方に進行しており、左端Ｐ４点の位置になる。このとき支持スパンａは、ａ＝０になる。一方、右側の中間サポート２０Ｂは、Ｐ２地点になり、右端Ｐ０点との間の支持スパンｄは、最長のＬ／２となる。(図５(e))。
かくして、左方の支持スパンaは、ねじナット2の左方移動と共に順次縮小していき、左端において零となり、反対に右方の支持スパンdは、ねじナット2の左方移動と共に順次拡大していき、最大Ｌ／２となる。
【００２２】
次に、モータ１０を反対方向に回転させると、ねじナット２はテーブル８と共に図１（ａ）で右方に移動を始める。ねじナット２が左端から右方へ移動する場合は、軸受５ａ，５ｂと中間サポート２０Ｂとの支持スパンdが上記支持スパンaと同様に連続的に縮小されていく。(図５(e)→(a))。
【００２３】
図６は上記の支持スパンの変化を表したもので、直線２０ａは中間サポート２０Ａの往復移動線、直線２０ｂは中間サポート２０Ｂの往復移動線、直線Ｌ２は、ねじナット２の往復移動線である。
【００２４】
また、本発明はＺ２／Ｚ１＝０．５に限定したものではなく、１＞Ｚ２／Ｚ１≦０．５の範囲で、使用するモータ回転数と支持スパンから、ねじ軸１が共振することなく、かつ中間サポート２０Ａ，２０Ｂの移動距離を短くし、摩耗が少なくなるような効率的な値を選択できることも、特徴の一つである。各中間サポートは２０Ａ，２０Ｂはすべり軸受けに限定されず、送りねじ軸１とボールを介して螺合されたねじナットを使用しても良い。
【００２５】
以上説明してきたように、本発明によれば、以下に列挙する効果が得られる。
本発明によるアクチュエータによると、構成の複雑化、装置の大型化をすることなく、きわめて簡単な構成によって、送りねじ軸の支持構造を得ることができる。そして、送りねじ軸の固有振動数ひいては許容回転数を高めることを可能とし、それによって高速化、ロングストロークに容易に対応することが可能になる。従来(特許３２２１８０４号)のように滑車により中間サポートを駆動すると、紐体による駆動になるため、剛性が不充分となり、耐久性がなくなるのに対し、本発明ではラックとピニオン機構にすることで、長寿命、剛性、かつ加速度が高くなるなどの効果が得られる。尚、本発明は前記各実施例に限定されるものではない。たとえば、径比Ｚ２／Ｚ１＝０．５に限定したものではなく、１＞Ｚ２／Ｚ１≦０．５の範囲で、使用するモータ回転数と支持スパンから、ねじ軸が共振することなく、かつ中間サポート２０Ａ，２０Ｂの移動距離を短くし、摩耗が少なくなるような効率的な値を選択できることも、特徴の一つである。又、前記各実施例では、送りねじ軸１としてボールネジを使用し、送りナット２としてボールナットを使用する場合を示したが、必ずしも、ボールネジとボールナットに限定されるものではない。例えば、角ネジ、台形ネジ等を用いる場合にも有効である。又、支持部材の形状等についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態によるアクチュエータを示す図１（ｂ）のＸ−Ｘ線による縦断面図、（ｂ）は図１（ａ）のＹ−Ｙ線による横断面図である。
【図２】本発明の実施の形態によるアクチュエータを示す図１（ａ）のテーブルが端に移動した状態の縦断面図である。
【図３】図１（ａ）の部分拡大断面図である。
【図４】図１（ｂ）の拡大断面図である。
【図５】(a)〜(e)は、図１（ａ）のアクチュエータにおけるねじナットと中間サポートとの動作説明図である。
【図６】図１のアクチュエータにおける中間サポートの支持部及びナットの運動に伴う相対位置関係の変化を表す図である。
【図７】従来のボールねじ式移動装置の全体構成を示す斜視図である。
【図８】従来のボールねじ式移動装置の全体構成を示すとともに固有振動数を説明するための図である。
【図９】従来のボールネジを中間サポートによって支持する構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    送りねじ軸
２    送りねじナット
３    基台
３Ａ    リニアガイド
４ａ，４ｂ    フランジ
５ａ，５ｂ    軸受部材
８    テーブル(移動体)
９    案内レール
１０    モータ
１２    連結棒
１２ａ、１６    ラック
１３    軸
１４    大歯車
１５    小歯車
１７  止め輪
１８    カバー
２０Ａ，２０Ｂ  中間サポート
２１Ａ，２１Ｂ  スライダ
２２Ａ，２２Ｂ  ブラケット
【図１】
2006161868.tif 000005
【図２】
2006161868.tif 000006
【図３】
2006161868.tif 000007
【図４】
2006161868.tif 000008
【図５】
2006161868.tif 000009
【図６】
2006161868.tif 000010
【図７】
2006161868.tif 000011
【図８】
2006161868.tif 000012
【図９】
2006161868.tif 000013