(57)【要約】  バックドライブフォースが小さい小型のリニアアクチュエータを提供する。リニアアクチュエータは、外周面の一部に磁石が固定され、開口端と閉塞端を有する中空のロータと、開口端と閉塞端を有する中空構造を有し、中空構造内でロータを回転可能に収容し、磁石と対向してステータ巻線が固定された、本体と、ロータの中空部に配置され、ロータの回転により軸方向に直動する直動変換部と、一端が直動変換部に固定され、他端が本体の開口端から延出し、外周に本体の開口部の直動シールに対し軸方向に摺動する摺動部を有する、直動ロッドと、ロータの閉塞端面より開口端側で、外周面より半径方向外側に固定された回転子と、回転子のより半径方向外側の一部の角度範囲において本体に固定された固定子と、から構成されるレゾルバと、を有し、ロータは、磁石とステータ巻線より開口側及び閉塞端において本体に、軸回りで回転可能に支持され、中空ロータは、全体が密閉空間内に収容される。
2015008471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面の一部にマグネットが固定され、内周面には螺旋溝が形成された、開口端部と閉塞端部を有する中空構造を有する中空ロータと、
前記中空ロータを回転軸回りで回転可能に支持して収容し、前記中空ロータの前記マグネットと対向する位置にステータ巻線を有する、本体と、
前記中空ロータ内に配置され、前記螺旋溝と係合し、該中空ロータの回転により該中空ロータの軸方向に直動する回転直動変換部と、
一方の端部は前記回転直動変換部に固定され、他方の端部は前記本体の開口端部から延出する直動ロッドであって、外周に前記本体の前記開口端部に配置された直動オイルシールを介して軸方向に摺動する摺動部を有し、該直動オイルシールと該摺動部は協働して該本体の内部に密閉空間を形成する、直動ロッドと、
前記中空ロータの閉塞端部の端面より開口端部側で、外周面より半径方向外側に固定されたレゾルバロータと、該レゾルバロータの半径方向外側の前記中空ロータの回転軸回りの一部の角度範囲において前記本体に固定されたレゾルバステータと、から構成される、前記中空ロータの回転位置を検出するセグメント型レゾルバと、
を有し、
前記マグネットと前記ステータ巻線は中空モータを構成し、
前記本体は、前記中空モータが形成されている部分より開口端部側において、前記中空ロータを前記本体に対して該中空ロータの回転軸回りで回転可能に支持する第１の回転支持手段と、前記中空ロータの閉塞端部を該中空ロータの回転軸回りで回転可能に支持する第２の回転支持手段と、を有し、
前記中空ロータは、全体が前記密閉空間内に収容される、
ことを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記中空ロータは、前記本体及び前記直動ロッドとの間に摺動シール機構を備えない、ことを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項３】
前記直動ロッドの直動及び前記中空ロータの回転に対し、前記直動オイルシールのみを摺動シール機構として有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記直動ロッドは、前記中空ロータの閉塞端部側に開口した中空構造を有する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項５】
前記回転直動変換部は、遊星ローラねじで構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項６】
前記回転直動変換部は、ボールねじで構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項７】
前記本体は、軸方向に対し垂直方向に突出した端子ボックスを含み、
前記レゾルバステータは該端子ボックス内に構成される、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項８】
前記セグメント型レゾルバは、セグメント型ＶＲレゾルバで構成される、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項９】
前記セグメント型レゾルバに代えて、前記中空ロータの閉塞端部の端面より開口端部側であって、前記中空ロータの外周面より半径方向外側に周方向に回転角度によって周期的な渦電流によるインダクタンスの変化を発生させるように配置された導体構造と、該レゾルバロータの半径方向外側の前記中空ロータの回転軸回りの一部の角度範囲において前記本体に固定された渦電流センサと、から構成される回転センサを有する、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１０】
前記第２の回転支持手段は、前記本体の閉塞端部の内壁のベアリング受け凹部に固定されたベアリングである、ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１１】
前記本体と前記中空ロータとの間に、前記密閉空間を分割する非接触ラビリンスシールを備え、
前記中空モータは分割された一方の領域に配置され、前記第１の回転支持手段は分割された他方の領域に配置される、
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１２】
鉄道車両の台車と車体の間に設置された請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータと、車体の揺動を抑制するようにリニアアクチュエータの駆動をアクティブに制御する制御装置とを有する、鉄道車両用の揺動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアアクチュエータ、特に、鉄道車両等の車両に装着され、電磁力によって車両の振動や揺動を制振する中空モータを使用したリニアアクチュエータ、及び、該リニアアクチュエータを有する鉄道車両用の揺動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両等の車両の走行中に発生する振動や揺動を抑制するために、リニアアクチュエータが使用されている。車両の進行方向に対して横方向の振動、揺動を抑制することは、乗客の乗り心地を快適にし、安全な走行条件を維持するために重要な役割を果たす。近年、特に、高速走行時における空力特性の影響による揺動や振動を、アクティブ制御で抑制し車両姿勢を安定維持させる研究が進められている。また、一般に、鉄道車両の揺動防止のために使用されるリニアアクチュエータは、頻繁な交換等のメンテナンスが実行しにくい条件下で使用される。それにも関わらず、設置される使用環境の温度変化は大きい（例えば−２０℃〜６０℃）という厳しい温度条件で使用されるため、リニアアクチュエータの機能を安定して維持することが要求される。また、鉄道車両の走行中に発生する振動や揺動を抑制するためのリニアアクチュエータは、鉄道車両の台車と車体との間の限られたスペースに設置する必要があるため、求められるストロークを維持しつつ小型化することが求められている。【０００３】
特許文献１はリニアアクチュエータを開示している。該リニアアクチュエータは、開口端部と閉塞端部を有する中空構造の本体と、本体内の閉塞端部側に固定され、開口端部側に開口端を有するシリンダと、一方の端部が該本体の開口端部から延出し他方の端部の外周部にウエアリングを有し軸方向に摺動可能にシリンダ内に収容された、直動ロッドと、回転可能に本体内に支持された中空シャフトと、を有する。中空シャフトは外周面の一部に永久磁石を有し、本体の内表面の一部に有する巻線部と永久磁石は中空モータを構成し、中空シャフトに同軸で固定されたナット部と直動ロッドの外周面のねじ部は係合し回転直動変換機構を構成し、ナット部の軸方向の両側において中空シャフトと本体との間をシールする回転オイルシール部を有する。バックドライブフォースが小さく摩耗粉等による固渋が発生しにくいコンパクトなリニアアクチュエータが開示されている。【０００４】
特許文献２は電気機械式リニアアクチュエータを開示している。フレーム内に回転可能に収容されナットを有し、該ナットの外周に固定されたマグネットとフレーム内周に固定されたコイルにより中空モータを構成し、ナット内スクリュが配置され、スクリュとナット及びその中に装填されたボール経路を形成する協働的ボール溝に沿って循環する複数のボールとともに逆移送システム・ボールスクリュを構成し、該スクリュに固定されたロッドが中空モータの回転により軸方向に駆動する構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−０１９６６１号公報
【特許文献２】特開２００８−５０５２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
引用文献１にリニアアクチュエータにおいては、回転直動変換部が本体に対して固定され、その中で回転直動変換部の中で係合しているロッドが回転直動変換部（本体）に対して前後進する直動する動作をする。回転直動変換部と係合するロッド部の外表面にはストローク長に対応するためのねじ山を有するため、アクチュエータ内を気密に保つためには、回転直動機構の前後にストローク長と同じ長さより先の部分で気密を維持する構成を必要とし、そのため、装置の全長の短縮に制約があった。【０００７】
また、引用文献２に係るリニアアクチュエータにおいては、回転直動変換機構である逆移送システム・ボールスクリュが、被直動部であるロッドに固定されているため、ストローク長に対応するねじ山が構成されるのは、ナット部の内周面でありロッド部分の外周にねじ山がないため、ナット部の端部には、ロッド部のシール部を形成することができ、全長の短縮を図ることができる。しかし、ロッドの伸縮側とは反対側端部には、ナット部の回転角を検出する機構が形成され、装置の全長の短縮に制約があった。【０００８】
本発明は、リニアアクチュエータ本体以外に圧力発生装置のような外部装置を必要とせず、また、圧力流体での制御装置の場合に必要な駆動源である加圧流体の配管の設置を必要としない、全長及び外径においてコンパクトなリニアアクチュエータを提供する。該リニアアクチュエータは、所望の駆動力または減衰力を与えるアクチュエータとしての機能を提供し、また、アクチュエータの機能の不要時は、外力に対して大きな負荷(バックドライブフォース)を与えることなく、容易に従動することができ、頻繁な交換等のメンテナンスが実行しにくく、設置される使用環境での温度変化が大きい（−２０℃〜６０℃）という過酷な使用条件下でも、バックドライブフォースが低い状態で安定して機能するリニア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】
【０００９】
本発明のリニアアクチュエータは、以下の特徴を有する。【００１０】
外周面の一部にマグネットが固定され、内周面には螺旋溝が形成された、開口端部と閉塞端部を有する中空構造を有する中空ロータと、
開口端部と閉塞端部を有する中空構造を有し、該中空構造内で前記中空ロータを回転軸回りで回転可能に支持して収容し、前記中空ロータの前記マグネットと対向する位置にステータ巻線を有する、本体と、
前記中空ロータの中空構造内に配置され、前記螺旋溝と係合し、該中空ロータの回転により該中空ロータの軸方向に直動する回転直動変換部と、
一方の端部は前記回転直動変換部に固定され、他方の端部は前記本体の前記開口端部から延出する直動ロッドであって、外周に前記本体の前記開口端部に配置された直動オイルシールを介して軸方向に摺動する摺動部を有し、該直動オイルシールと該摺動部は協働して該本体の内部に密閉空間を形成する、直動ロッドと、
前記中空ロータの閉塞端部の端面より開口端部側で、外周面より半径方向外側に固定されたレゾルバロータと、該レゾルバロータの半径方向外側の前記中空ロータの回転軸回りの一部の角度範囲において前記本体に固定されたレゾルバ固定子と、から構成されるセグメント型レゾルバと、
を有し、
前記マグネットと前記ステータ巻線は中空モータを構成し、
前記中空モータが形成されている部分より開口端部側において、前記中空ロータを前記本体に対して該中空ロータの回転軸回りで回転可能に支持する第１の回転支持手段と、前記中空ロータの閉塞端部を、前記本体の閉塞端部に該中空ロータの回転軸回りで回転可能に支持する第２の回転支持手段と、を有し、
前記中空ロータは、全体が前記密閉空間内に収容される、
ことを特徴とする。【００１１】
本発明に係る鉄道車両用の揺動制御装置は、鉄道車両の台車と車体の間に設置された前記リニアアクチュエータと、車体の揺動を抑制するようにリニアアクチュエータの駆動をアクティブに制御する制御装置とを有する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本体以外に外部装置を必要とせず、また、圧力流体での制御装置の場合にあるような駆動源である加圧流体の配管の設置を必要としない、全長及び外径においてコンパクトなリニアアクチュエータであって、所望の駆動力または減衰力を与えるアクチュエータとしての機能を提供し、また、アクチュエータとして機能させる必要のないときには、外力に対して大きな負荷(バックドライブフォース)を与えることなく、容易に従動することができる。また、温度等の使用環境に依らず安定した機能を実現するリニアアクチュエータを実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のリニアアクチュエータの最小ストローク時の平面図。
【図２】本発明のリニアアクチュエータの最小ストローク時の側面図。
【図３】本発明のリニアアクチュエータの最小ストローク時の図２のIII−III断面から見た断面図。
【図４】本発明のリニアアクチュエータの最大ストローク時の断面図。
【図５】本発明のリニアアクチュエータのセグメントリゾルバの概略図。
【図６】本発明のリニアアクチュエータを適用した鉄道車両用の揺動制御装置の概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明に係るリニアアクチュエータを説明する。
【実施例１】
【００１５】
本実施例のリニアアクチュエータの最小ストローク時の平面図を図１に、側面図を図２に示す。本実施例のリニアアクチュエータは、駆動方向の両端に鉄道車両の車体と台車と接続するための球面軸受１ａ，１ｂを有する。直動ロッド２がケーシング２０、２１、２２に収容されている後述する中空ロータ（ナット部）１０に対して延出／収容されることにより、球面軸受１ａ，１ｂ間の間隔が変更される。本アクチュエータ主要部を収容するケーシング（２０，２１，２２）の一部は、側方（中空ロータの軸方向に垂直方向）に突出する形状を有する端子ボックス１８を含み、ケーブルホルダ部１８ａから本アクチュエータへの電源コード及び制御線が取り込まれる。【００１６】
本実施例のリニアアクチュエータの最小ストローク時の図２のIII−III断面から見た断面図を図３に、最大ストローク時の断面図を図４に示す。【００１７】
本発明のリニアアクチュエータは、主要部分をその内部に気密状態で収容するケーシング（本体）２０，２１，２２と、ケーシング２０，２１，２２内に回転可能に収容された中空ロータ（ナット）１０を有する。さらに、本発明のリニアアクチュエータは、中空ロータ１０の中空部に配置され、中空ロータ１０の内周面に形成された螺旋溝と係合し、中空ロータ１０の回転により中空ロータ内を軸方向に直動する回転直動変換部７と、該回転直動変換部７に接続され、回転直動変換部７の直動に従いケーシングに対し気密な態様で延出／収容される直動ロッド２を有する。さらに、本発明のリニアアクチュエータは、直動ロッド２の延出側端部と、ケーシング後部２２には、それぞれ、第１の球面軸受１ａ及び第２の球面軸受１ｂを有する。本アクチュエータが鉄道車両の揺動防止アクチュエータとして使用される際には、この球面軸受１ａ，１ｂを介して鉄道車両の車体と台車に接続される。【００１８】
以後、説明の簡略化のために、直動ロッド２が中空ロータから延出する側、すなわち、図３中の第１の球面軸受１ａ側を前側、図３中の第２の球面軸受１ｂ側を後側として記載する。【００１９】
中空ロータ１０は、前方に開口端部を、後方に閉塞端部を有し、アンギュラベアリング９（第１の回転支持手段）によりケーシングに対して中空ロータの回転軸回りで回転可能に収容され固定される。アンギュラベアリング９は、ベアリング固定ナット８ａにより中空ロータ１０に固定され、ベアリング固定ナット８ｂによりケーシング中央部２１に固定される。本リニアアクチュエータの軸方向にかかる力（第１、第２の球面軸受１ａ、１ｂで受ける力）は、第１の球面軸受１ａ、直動ロッド２、回転直動変換部７、中空ロータ１０、アンギュラベアリング９、ケーシング中央部２１、ケーシング後部２２、第２の球面軸受１ｂで、受けることになる。【００２０】
アンギュラベアリング９が固定されている位置より後側の中空ロータ１０の外周面の一部には、マグネット１２が設置され、ケーシング中央部２１の内周面のマグネット１２と対向する位置には、ロータマグネット１２と所定の間隔を有してステータ巻線１１が設置されている。ステータ巻線１１とマグネット１２とにより、中空モータが構成される。【００２１】
回転直動変換部７は、中空ロータ１０の内周面に形成された溝部と係合し、中空ロータ１０の回転により中空ロータ１０内を軸方向に直動する機構を有する。回転直動変換部７は、回転を直動に変換する既知の機構を適用することが出来る。例えば、遊星ローラねじで構成してもよいし、中空ロータ１０内周面に形成した溝部と回転直動変換部７外周面の溝部との間でボールが循環するように構成されたボールねじで構成してもよい。【００２２】
直動ロッド２は、その前方側はケーシング前部２０の開口端部からケーシングの外へ延出し、一方の端部である前方端部は球面軸受１ａと接続し、他方の端部である後方端部は回転直動変換部７に対して固定されている。直動ロッド２は、ケーシング前部２０の直動オイルシール３と協働して気密な態様で軸方向に摺動する摺動部６を有する。ケーシング前部２０の開口部に設置された直動オイルシール３と直動ロッド２の摺動部６とによって、ケーシング２０，２１，２２で形成される中空構造の内部は密封されている。直動ロッド２は、ケーシング前部２０の直動軸受け４により軸方向に直動可能に支持されている。【００２３】
中空ロータ１０の後端側には、ロータエンドキャップ１７が固定され、後端側を密閉し、閉塞端部を構成している。ロータエンドキャップの後側は、ケーシングの閉塞端部を構成しているケーシング後部２２の内面（内壁）に形成（凹設）されたベアリング受け凹部２２ａに固定されたベアリング１６（第２の回転支持手段）に支持される。これにより、中空ロータ１０の閉塞端部である後端部は、ケーシング２２の閉塞端部に対して中空ロータ１０の回転軸回りで回転可能に支持される。この構成により、中空ロータ１０全体は、ケーシング前部２０の開口部に設置された直動オイルシール３と直動ロッド２の摺動部６とによって、ケーシング２０、２１、２２で形成された中空構造（密閉空間）内に収容されて構成されている。リニアアクチュエータの作動（直動ロッド２の直動及び中空ロータ１０の回転）に対する摺動シール機構は、直動オイルシール３のみである。中空ロータ１０は、ケーシング２０、２１、２２、直動ロッド２等の回転しない部分と、軸受け機構のみで機械的に接続している。すなわち、中空ロータ１０は、中空ロータ１０の回転に対し非回転部分（ケーシング、直動ロッド）との間に摺動シール機構を備えていない。この構成により、リニアアクチュエータの電源を切った状態ではできるだけ外力に対する負荷（バックドライブフォース）を与えることなく従動させることを可能としている。【００２４】
本実施例のリニアアクチュエータにおいて、セグメント型レゾルバ１３、１４によって中空ロータ１０の回転角を検出する。図５に、セグメント型レゾルバ１３、１４の一例を示す。中空ロータ１０の閉塞端部の端面より開口端部側であって、中空ロータ１０の外周面より半径方向外側にセグメント型ＶＲレゾルバ（セグメントタイプの可変リラクタンス型レゾルバ）のレゾルバロータ部１４が全周に渡って固定されている。本実施例においては、レゾルバロータ部１４は、中空ロータ１０の後端部側に固定されたロータエンドキャップ１７に固定されて設置されている。また、セグメントレゾルバのレゾルバステータ部１３は、図５に示すように、中空ロータ１０の軸回りの一部の回転角度範囲のみに配置され、より具体的には、図３，４に示すように、電源や信号線が配設される端子ボックス内に配置され、各センサ１３に対応する位置に巻線部１３ａが構成されている。これにより、中空ロータの回転角を検出し、不図示の制御装置に出力し、モータの駆動制御に使用される。【００２５】
本発明のリニアアクチュエータにおける回転角度検出手段は、中空ロータの軸方向後部側に延出する態様で配置されることはなく、軸方向におけるコンパクト化を実現することができる。径方向においても、レゾルバステータ部１３は全周に配置されることはなく、所定の一部の回転角の位置のみに配置されるため、径方向におけるコンパクト化も同時に実現できる。それに加え、所定の回転角度範囲にのみ配置されるレゾルバステータ部１３についても、本リニアアクチュエータのケーシング側部に張り出して形成される端子ボックス１８内に配置する構成としているため、レゾルバステータ部１３の配置のために本リニアアクチュエータを径方向に拡張する必要を排除し、装置の回転軸に対する半径方向におけるコンパクト化を実現している。【００２６】
本発明のリニアアクチュエータは、鉄道車両用の揺動制御装置に使用することを前提とするものであって回転力に対する制御を目的とするため、厳密な位置決めを目的とするものではなく、従って、厳密な回転角度の検出を必要とするものでもない。そのため、本発明のように、回転角検出手段は、回転角の全周に検出端であるレゾルバステータ部を有する構成とする必要はなく、本発明のような一部の回転角のみに配置された検出部で、回転検出手段としての目的を達成することができる。検出された角度誤差に起因する効率の悪化は、cos (誤差電気角)、である。したがって、例えば、電気角10度の検出誤差がある場合でも約1.5%の効率悪化がある程度なので、位置制御でなく力制御を目的として使用される鉄道車両用の揺動制御装置においては検出角度の誤差の影響は無視できる程度である。【００２７】
本実施例においては、回転角検出手段として、セグメントＶＲ型レゾルバを例示したが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、渦電流センサによっても、同様の角度検出手段を構成し、本発明の効果を享受することができる。渦電流センサを使用する場合においては、セグメント型ＶＲレゾルバに代えて、中空ロータ１０の閉塞端部の端面より開口端部側であって、中空ロータ１０の外周面より半径方向外側に周方向に回転角度によって周期的な渦電流によるインダクタンスの変化を発生させる導体構造と、レゾルバロータ１４の半径方向外側の中空ロータ１０の回転軸回りの一部の角度範囲において本体に固定された渦電流センサと、から構成された回転角度センサを構成しても、本発明の効果を享受することができる。すなわち、径方向、軸方向において、コンパクトなリニアアクチュエータを実現することができる。【００２８】
マグネット１２及びステータ巻線１１は強い磁気を帯びるため、密閉領域５内の摺動部（直動オイルシール３と摺動部６）や転動部（アンギュラベアリング９、回転直動変換部７、ベアリング１６）等で発生する摩耗粉が、マグネット１２及びステータ巻線１１に付着することを防止する必要がある。このため、発生した鉄粉等の摩耗粉が密閉領域５内で飛散することがないよう、各転動部（アンギュラベアリング９、回転直動変換部７、ベアリング１６）は低粘度グリスで潤滑されている。また、アンギュラベアリング９と、マグネット１２及びステータ巻線１１（中空モータを形成している部分）との間のケーシング中央部２１と中空ロータ１０との間には、非接触ラビリンスシール１５が設けられ、低粘度グリスが使用されている。ケーシング前部２０の開口部に設置された直動オイルシール３と直動ロッド２の摺動部６とによって、ケーシング２０，２１，２２で形成された中空構造（密閉空間）は、非接触ラビリンスシール１５によって２つの領域に分割される。これによって、マグネット１２及びステータ巻線１１（中空モータ）は分割された一方の領域内に配置され、直動オイルシール３、摺動部６、回転直動変換部７、アンギュラベアリング９は分割された他方の領域内に配置される。また、中空ロータ１０の後端部は、ロータエンドキャップで密閉されている。これにより、密閉領域５は、最も摩耗粉が多く発生することが懸念される回転直動変換部７がある領域と、マグネット１２及びステータ巻線１１とがある領域とが分離され、マグネット１２及びステータ巻線１１への鉄粉等の摩耗粉との接触のリスクを低減させている。【００２９】
この構成により、メンテナンス間隔が長いという過酷な使用条件下であっても、リニアアクチュエータの機能を低下させることなく維持することを可能としている。【００３０】
図３に示した最小ストローク時、及び図４に示した最大ストローク時における本実施例のリニアアクチュエータの断面図を参照しながら、本リニアアクチュエータの動作と機能について説明する。【００３１】
図３に示した最小ストロークの状態において、不図示の制御装置により中空モータが所定の回転で駆動され、マグネット１２がステータ巻線１１に対して回転すると、中空ロータ１０が回転し、中空ロータ１０の内周面の溝部と係合している回転直動変換部７が軸方向前方に直動する。これにより、回転直動変換部７に固定されている直動ロッド２は軸方向前方に直動する。ここで、直動ロッド２の前側端部に固定されている第１の球面軸受１ａ及びケーシング後部２２に固定されている第２の球面軸受１ｂは、本リニアアクチュエータで制御しようとする構成、例えば、鉄道車両の車体と台車、に接続されている。したがって、直動ロッド２とケーシング後部２２との間の相対的な自由な回転は制限され、回転直動変換部７のケーシングに対する自由な回転が拘束された状態で中空ロータ１０が回転することになり、回転直動変換部７と中空ロータ１０との相対的な回転により直動ロッド２が軸方向に直動される。【００３２】
本発明のリニアアクチュエータを鉄道車両の揺動防止装置に用いる場合、特に高速走行時の空力特性のために必要となるアクティブ制御がある。例えば、低速走行では発生しないが、高速走行におけるトンネル進入時の瞬時的な車両の横揺れ、或いは、高速走行時のカルマン渦の影響による列車編成の最終車両における横揺れ等を抑制するためのアクティブ制御がある。これらの揺動を抑制するため、所定の走行速度以下など、所定の条件以外ではアクティブ制御は不要である場合があり、リニアアクチュエータの電源を切った状態で、できるだけ外力に対し負荷(バックドライブフォース)を与えることなく従動させたいというニーズがある。この点においては、非接触ラビリンスシール１５は、中空ロータ１０に対し、回転軸から半径方向の外側に設置されるため、シール部分の周長は長いが、非接触のシールで低粘度グリスが使用されているため、外力に対し小さな負荷で従動できる。
本発明のリニアアクチュエータでは、中空ロータ１０全体が密閉空間内に収容され、中空ロータ１０の回転に対する摺動シール機構を有さず、リニアアクチュエータの駆動時の摺動シール機構として、直動ロッド２の直動に対する直動オイルシール３のみを備える。この構成も、リニアアクチュエータの電源を切った状態でできるだけ外力に対し負荷(バックドライブフォース)を与えることなく従動させることができる効果を有する。【００３３】
本発明のリニアアクチュエータにおいては、ケーシング前部２０，ケーシング中央部２１，ケーシング後部２２、及び直動ロッド２の摺動部６と直動オイルシール３とによるシール構造とによりケーシング内部に密閉領域５を形成しているため、直動ロッド２のストローク変位に起因する密閉領域５内の圧力変動によって、外気を密閉領域５内に流出入させることがない（エアブリーザ機能を有さない）。このため、−２０度のような低温の条件下で使用し続けても、アクチュエータ内に侵入した空気中の水分の凝固等の現象に起因する摺動機能の低下を招くことはなく、良好な摺動状態を維持することができるという効果を有する。また、本発明のリニアアクチュエータ本体は外気に対して密封されているため、空気中の水分・埃塵等が本体内へ侵入することを防止でき、安定した機能を維持することができる。【００３４】
なお、密閉領域５内の気体は、空気或いは窒素等の不活性ガスを使用することができる。【００３５】
密閉領域５は密閉空間であるので、気体が占める容積と圧力の積は一定である。したがって、密閉領域５内の気体が占める容積がＶ１からＶ２に変化し、圧力がＰ１からＰ２に変化した場合、容積変化後の圧力Ｐ２は、
【数１】
2015008471.tif 000003
で表すことができる。ここで、ΔＶは気体が占める容積のＶ１からＶ２への変化量（Ｖ２−Ｖ１）である。本発明のリニアアクチュエータはコンパクトに構成されているため、ケーシング内の容積は小さく、Ｖ１とＶ２との差（比）が大きくなりやすい。結果として、直動ロッドの前後進により密閉領域５内の圧力変動が大きくなりやすい。しかし、密閉領域５内の圧力変動が大きいと、アクティブ制御することなく、外力に対し小さなバックドライブフォースで従動させる必要がある場合において、自由な従動を阻害することになる。このため、本発明のリニアアクチュエータの直動ロッド２には、中空ロータの閉塞端部側である後端部に開口部を有する中空部２ａが軸方向に延在して形成されている。この構成により、直動ロッドの前後進による気体が占める容積のＶ１からＶ２への変化量であるΔＶは、直動ロッド２の断面積と最大ストローク長の積で表される体積であって同じだが、中空部２ａの容積だけＶ１が大きくなるため、ΔＶが与えるＰ２への影響を抑制することができる。
【数２】
2015008471.tif 000004
これにより、密閉領域５の密閉性を維持するとともに、従動性の阻害を抑制することができる。【００３６】
ケーシング前部２１と第１の球面軸受１ａとの間には、不図示の蛇腹等のカバーを設け、粉塵等が摺動部６の外表面に付着することを未然防止することが好ましい。これにより、ストローク変化によって本体の先端部であるケーシング前部２１から直動ロッド２が突出したときに、直動ロッド２の摺動部６が周囲の環境に曝され水分やダスト等が摺動部６の外表面に付着することを防止することができる。【００３７】
以上説明したように、本実施例の構成により、リニアアクチュエータ本体以外に圧力発生装置のような外部装置を必要とせず、また、圧力流体での制御装置の場合に必要な駆動源である加圧流体の配管の設置を必要としない、全長及び外径においてコンパクトなリニアアクチュエータを提供できる。また、所望の駆動力または減衰力を与えるリニアアクチュエータとしての機能を提供し、リニアアクチュエータの機能の不要時には、外力に対して大きな負荷(バックドライブフォース)を与えることなく、容易に従動することができるリニアアクチュエータを提供することができる。また、頻繁な交換等のメンテナンスが実行しにくく、設置される使用環境での温度変化が大きい（−２０℃〜６０℃）という過酷な使用条件下でも、バックドライブフォースが低い状態で安定して機能するリニアアクチュエータを提供することができる。
【実施例２】
【００３８】
図６に、本発明の実施例１に係るリニアアクチュエータを適用した鉄道車両用の揺動制御装置の概略構成図を示す。本実施例の鉄道車両用の揺動制御装置は、実施例１の本発明のアクチュエータを鉄道車両の台車３５と車体３０の間に設置し、車体３０の揺動を抑制するようにリニアアクチュエータ３３の駆動をアクティブ制御する制御装置３２を備える。【００３９】
車輪から一次ばね３６を介して台車３５に振動が伝達され、台車３５の振動は二次ばね３４を介して車体３０へ伝達される。加速度計３１は車体３０の加速度を測定し、制御装置３２は測定された加速度に応じて車体３０の揺動（振動）を抑制するように、リニアアクチュエータ３３をアクティブに制御する。制御装置によるアクティブ制御は、既知である様々な制御方法を適用することができる。【００４０】
鉄道車両において、水平方向であって車両の進行方向に対して垂直である方向に対する振動（揺動）を抑制することは、鉄道車両の乗客の乗り心地を快適にするとともに、走行時の車両の走行姿勢を安定させる上で重要である。鉄道車両の揺動を抑制するためにリニアアクチュエータを使用する場合、リニアアクチュエータを水平方向であって車両の進行方向に対して垂直な方向で設置することが最も効率的な配置方法である。制約された鉄道車両の幅の中にリニアアクチュエータを収容する点において、本発明のコンパクト化されたリニアアクチュエータは大きなメリットを有する。特に狭軌の規格が適用されている条件下においては、本発明のコンパクト化されたリニアアクチュエータを鉄道車両における車体の揺動制御装置に適用することは好適である。【００４１】
鉄道車両における車体の揺動制御装置のように、頻繁な交換等のメンテナンスが実行しにくく、設置される使用環境での温度変化が大きいという過酷な使用条件下であっても、本発明のリニアアクチュエータの作用効果を十分に発揮した鉄道車両用の揺動制御装置を実現することができる。すなわち、リニアアクチュエータ本体以外に圧力発生装置のような外部装置を必要とせず、また、圧力流体での制御装置の場合に必要な駆動源である加圧流体の配管の設置を必要としない、全長及び外径においてコンパクトなリニアアクチュエータを有する鉄道車両用の揺動制御装置を実現することができる。また、所望の駆動力または減衰力を与えるリニアアクチュエータとしての機能を提供し、リニアアクチュエータの機能の不要時には、外力に対して大きな負荷(バックドライブフォース)を与えることなく、容易に従動することができるリニアアクチュエータを提供することができる。また、頻繁な交換等のメンテナンスが実行しにくく、設置される使用環境での温度変化が大きい（−２０℃〜６０℃）という過酷な使用条件下でも、バックドライブフォースが低い状態で安定して機能するリニアアクチュエータを有する鉄道車両用の揺動制御装置を提供することができる。【００４２】
この出願は２０１３年７月１６日に出願された日本国特許出願第２０１３−１４７７３７号からの優先権を主張するものであり、その内容を引用してこの出願の一部とするものである。
【符号の説明】
【００４３】
１ａ：第１の球面軸受
１ｂ：第２の球面軸受
２：直動ロッド
２ａ：中空部
３：直動オイルシール
４：直動軸受
５：密閉領域
６：摺動部
７：回転直動変換部
８ａ、８ｂ：ベアリング固定ナット
９：アンギュラベアリング
１０：中空ロータ（ナット）
１１：中空モータ（ステータ巻線）
１２：中空モータ（マグネット）
１３：レゾルバステータ部
１３ａ：巻線部
１４：レゾルバロータ部
１５：非接触ラビリンスシール
１６：ベアリング
１７：ロータエンドキャップ
１８：ケーブルホルダ
２０：ケーシング前部
２１：ケーシング中央部
２２：ケーシング後部
２２ａ：ベアリング受け凹部
３０：車体
３１：加速動計
３２：制御装置
３３：リニアアクチュエータ
３４：二次ばね
３５：台車
３６：一次ばね
【図１】
2015008471.tif 000005
【図２】
2015008471.tif 000006
【図３】
2015008471.tif 000007
【図４】
2015008471.tif 000008
【図５】
2015008471.tif 000009
【図６】
2015008471.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成28年1月13日(2016.1.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2015008471.tif 000011
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2015008471.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月17日(2016.11.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面の一部にマグネットが固定され、内周面には螺旋溝が形成された、開口端部と閉塞端部を有する中空構造を有する中空ロータと、
前記中空ロータを回転軸回りで回転可能に支持して収容し、前記中空ロータの前記マグネットと対向する位置にステータ巻線を有する、本体と、
前記中空ロータ内に配置され、前記螺旋溝と係合し、該中空ロータの回転により該中空ロータの軸方向に直動する回転直動変換部と、
一方の端部は前記回転直動変換部に固定され、他方の端部は前記本体の開口端部から延出する直動ロッドであって、外周に前記本体の前記開口端部に配置された直動オイルシールを介して軸方向に摺動する摺動部を有し、該直動オイルシールと該摺動部は協働して該本体の内部に密閉空間を形成する、直動ロッドと、
前記中空ロータの閉塞端部の端面より開口端部側で、外周面より半径方向外側に固定されたレゾルバロータと、該レゾルバロータの半径方向外側の前記中空ロータの回転軸回りの一部の角度範囲において前記本体に固定されたレゾルバステータと、から構成される、前記中空ロータの回転位置を検出するセグメント型レゾルバと、
を有し、
前記マグネットと前記ステータ巻線は中空モータを構成し、
前記本体は、前記中空モータが形成されている部分より開口端部側において、前記中空ロータを前記本体に対して該中空ロータの回転軸回りで回転可能に支持する第１の回転支持手段と、前記中空ロータの閉塞端部を該中空ロータの回転軸回りで回転可能に支持する第２の回転支持手段と、を有し、
前記中空ロータは、全体が前記密閉空間内に収容され、
前記本体は、軸方向に対し垂直方向に突出して前記密閉空間の一部を構成する端子ボックスを構成し、
前記レゾルバステータは、該端子ボックス内に構成される、
ことを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記中空ロータは、前記本体及び前記直動ロッドとの間に摺動シール機構を備えない、ことを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項３】
前記直動ロッドの直動及び前記中空ロータの回転に対し、前記直動オイルシールのみを摺動シール機構として有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記直動ロッドは、前記中空ロータの閉塞端部側に開口した中空構造を有する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項５】
前記回転直動変換部は、遊星ローラねじで構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項６】
前記回転直動変換部は、ボールねじで構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項７】
前記セグメント型レゾルバは、セグメント型ＶＲレゾルバで構成される、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項８】
前記セグメント型レゾルバに代えて、前記中空ロータの閉塞端部の端面より開口端部側であって、前記中空ロータの外周面より半径方向外側に周方向に回転角度によって周期的な渦電流によるインダクタンスの変化を発生させるように配置された導体構造と、該レゾルバロータの半径方向外側の前記中空ロータの回転軸回りの一部の角度範囲において前記本体に固定された渦電流センサと、から構成される回転センサを有する、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項９】
前記第２の回転支持手段は、前記本体の閉塞端部の内壁のベアリング受け凹部に固定されたベアリングである、ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１０】
前記本体と前記中空ロータとの間に、前記密閉空間を分割する非接触ラビリンスシールを備え、
前記中空モータは分割された一方の領域に配置され、前記第１の回転支持手段は分割された他方の領域に配置される、
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項１１】
鉄道車両の台車と車体の間に設置された請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のリニアアクチュエータと、車体の揺動を抑制するようにリニアアクチュエータの駆動をアクティブに制御する制御装置とを有する、鉄道車両用の揺動制御装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
外周面の一部にマグネットが固定され、内周面には螺旋溝が形成された、開口端部と閉塞端部を有する中空構造を有する中空ロータと、
開口端部と閉塞端部を有する中空構造を有し、該中空構造内で前記中空ロータを回転軸回りで回転可能に支持して収容し、前記中空ロータの前記マグネットと対向する位置にステータ巻線を有する、本体と、
前記中空ロータの中空構造内に配置され、前記螺旋溝と係合し、該中空ロータの回転により該中空ロータの軸方向に直動する回転直動変換部と、
一方の端部は前記回転直動変換部に固定され、他方の端部は前記本体の前記開口端部から延出する直動ロッドであって、外周に前記本体の前記開口端部に配置された直動オイルシールを介して軸方向に摺動する摺動部を有し、該直動オイルシールと該摺動部は協働して該本体の内部に密閉空間を形成する、直動ロッドと、
前記中空ロータの閉塞端部の端面より開口端部側で、外周面より半径方向外側に固定されたレゾルバロータと、該レゾルバロータの半径方向外側の前記中空ロータの回転軸回りの一部の角度範囲において前記本体に固定されたレゾルバ固定子と、から構成されるセグメント型レゾルバと、
を有し、
前記マグネットと前記ステータ巻線は中空モータを構成し、
前記中空モータが形成されている部分より開口端部側において、前記中空ロータを前記本体に対して該中空ロータの回転軸回りで回転可能に支持する第１の回転支持手段と、前記中空ロータの閉塞端部を、前記本体の閉塞端部に該中空ロータの回転軸回りで回転可能に支持する第２の回転支持手段と、を有し、
前記中空ロータは、全体が前記密閉空間内に収容され、
前記本体は、軸方向に対し垂直方向に突出して前記密閉空間の一部を構成する端子ボックスを構成し、
前記レゾルバステータは、該端子ボックス内に構成される、
ことを特徴とする。
【国際調査報告】
2015008471.tif 000013
2015008471.tif 000014
2015008471.tif 000015
2015008471.tif 000016