(57)【要約】【課題】特に特殊（高価）な機械要素を用いることなく、差動機構を介した直線運動に変換することにより、小さな入力トルクから大きな直線運動出力を発生させ、回転量を比例的に直線運動へ変換することによって精密な位置決め制御が可能であるリニア・アクチュエータを提供する。【解決手段】２つの支持部材2,3に2本の回転軸4と１本の移動軸5とを平行に設け、回転軸4は第１歯車12と第２雄ねじ部13をもち、移動軸5は第２歯車14と第１雄ねじ部15とヘッド部28とを有し、支持部材2に対する相対移動が可能な移動部材6を設け、移動軸5の軸方向移動量は、回転軸４の回転に伴う移動部材６および移動軸５の一の軸方向ｘへ移動する距離と、回転軸４の回転が第１および第３伝動手段12,14を通じて移動軸５に伝達されて移動軸５が回転することにより、移動部材６に対して移動軸５が一の軸方向ｘとは逆向きの軸方向ｙに移動する距離との差であることを特徴とする。【選択図】図７
2007046734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの支持部材に、回転可能に担持される少なくとも１本の回転軸と、軸方向への移動可能に担持される少なくとも１本の移動軸とを設け、
回転軸は、その少なくとも片側に第１伝動手段を有し、回転軸の所定部分に、第１伝動手段とともに同一方向に回転する第２伝動手段をもち、
移動軸は、その少なくとも片側に、回転軸に設けた第１伝動手段と係合する第３伝動手段を有し、移動軸の所定部分に、第３伝動手段とともに同一方向に回転する第１雄ねじ部をもち、先端に軸方向への位置決め制御を行うヘッド部を有し、
少なくとも移動軸の第１雄ねじ部が螺合する第１雌ねじ孔と、回転軸の第２伝動手段と連係動作する第４伝動手段をもち、第１雄ねじ部に沿って、支持部材に対する相対移動が可能な少なくとも１つの移動部材を設け、
移動軸の軸方向移動量は、回転軸の回転に伴う移動部材および移動軸の一の軸方向へ移動する距離と、回転軸の回転が第１および第３伝動手段を通じて移動軸に伝達されて移動軸が回転することにより、移動部材に対して移動軸が一の軸方向とは逆向きの軸方向に移動する距離との差であることを特徴とするリニア・アクチュエータ。
【請求項２】
第１及び第３伝動手段はいずれも歯車である請求項１記載のリニア・アクチュエータ。
【請求項３】
前記回転軸と前記移動軸は平行に配置され、第２伝動手段は第２雄ねじ部であり、第４伝動手段は第２雌ねじ孔である請求項１または２記載のリニア・アクチュエータ。
【請求項４】
移動軸のヘッド部の軸方向移動量は、第１および第２雄ねじ部のピッチ比と、第１及び第３伝動手段の歯数比とで決定される請求項３記載のリニア・アクチュエータ。
【請求項５】
回転軸の第２雄ねじ部が、右ねじまたは左ねじで形成され、移動軸の第１雄ねじ部が、第２雄ねじ部とは逆向きのねじで形成され、第１伝動手段を一方向に回転させると、回転軸が第１伝動手段とともに共回転して移動部材を前進させ、移動部材が回転軸の第２雄ねじ部に沿って移動軸を前進させる方向に移動させると同時に、第１伝動手段との係合動作で第１伝動手段とは逆向きに第３伝動手段が回転して、移動軸を、移動部材の移動方向とは逆向きの方向に移動させるように構成する請求項３または４記載のリニア・アクチュエータ。
【請求項６】
回転軸の第２雄ねじ部と移動軸の第１雄ねじ部が、ともに右ねじで形成され、第１伝動手段と第３伝動手段の間に、これらと係合動作する第５伝動手段を設け、第１伝動手段を一方向に回転させると、回転軸が第１伝動手段とともに共回転して移動部材を前進させ、移動部材が回転軸の第２雄ねじ部に沿って移動軸を前進させる方向に移動させると同時に、第５伝動手段を介した第１伝動手段との係合動作で第１伝動手段と同じ向きに第３伝動手段が回転して、移動軸を、移動部材の移動方向とは逆向きの方向に移動させるように構成する請求項３または４記載のリニア・アクチュエータ。
【請求項７】
移動軸を１本とし、回転軸を２本とする請求項１〜６のいずれか１項記載のリニア・アクチュエータ。
【請求項８】
平行配置した２本の回転軸の第１伝動手段を挟んで移動軸の第３伝動手段とは反対側に、両回転軸の第１伝動手段と係合動作する第６伝達手段を設け、該第６伝動手段は、駆動軸を介して駆動手段に連結される請求項７記載のリニア・アクチュエータ。
【請求項９】
前記回転軸と前記移動軸は直交して配置され、第２伝動手段はピニオンであり、第４伝動手段はラックである請求項１または２記載のリニア・アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、リニア・アクチュエータに関し、特に電動モータなどの回転力を動力源とし、特殊（高価）な機械要素を用いることなく、差動機構を介した直線運動に変換することにより、小さな入力トルクから大きな直線運動出力を発生させるとともに、回転量を比例的に直線運動へ変換することによって精密に位置決めし、かつ完全に静止することが必要な材料試験機や精密扛重機、切削加工機における工作物移動装置など、さらには小型化が可能である利点を活かし、構成要素寸法と比較して大きな直線方向力が必要とされるマニピュレータ装置などに用いることができる、直動機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、材料試験機や扛重機などにおける直線運動力発生機構としては、必要とされる力が非常に大きい場合には、油圧シリンダを用い、一方、必要とされる力が比較的小さくてもよい場合には、回転運動を直線運動に変換する機構として、ねじとナット、歯車、リンクなどの組合せを用いるのが一般的である。特に、後者に関しては、さらに次のように大別される。
（１）ねじとナットを直接組み合わせたもの
（２）差動ねじ機構を用いたもの
（３）ラックピニオン機構を用いたもの
（４）ウォーム機構を用いたもの
（５）クランク機構を用いたもの
（６）パンタグラフ機構を用いたもの
【０００３】
まず、油圧シリンダにおいては、シリンダ径を大きくすることにより、数百ｋＮ以上の大荷重を発生することが可能であるため、大型の材料試験機や扛重機などに広く用いられている。しかしながら、油圧シリンダは、変位を制御することが極めて困難であるという欠点を有する。また、変位を停止させると、油圧シリンダの機構上、シリンダのパッキンからの油漏れを完全に防ぐことができないために、徐々に荷重が低下する。さらに、材料試験において、変位停止時にクリープ現象などで試験材料内の応力が低下すると、停止位置もそれに応じて変化してしまう。
【０００４】
このため、正確な変位制御が必要な材料試験などにおいては、前項（１）で述べたように、モータなどの動力によってねじを回転させ、そのねじと螺合されているナットを取り付けたクロスヘッドを移動させ、直線運動に変換する機構を用いることが多い（図１）。しかしながら、前項（１）のねじとナットを用いた装置では、小さな回転トルクを大きな直線運動力へ変換するために、容積の大きいギヤボックスを用いて減速させる必要がある。また、大きな直線運動力を得るためには、太いねじを用いる必要があるが、ねじが太くなるほどピッチも大きくなるため、精密な変位制御が困難となる。すなわち、前項（１）の装置では、大きな直線運動力と精密な変位制御を両立させることが難しい。
【０００５】
同様に、ねじ、歯車などを用いた前項（２）〜（６）で述べた機構について、それぞれの長所および短所を挙げる。
【０００６】
前項（２）の差動ねじ機構を用いた装置は、図２に示すように、２つのねじ部のピッチを異ならせることにより、これらのねじ部を同時に回転させた際に、各ねじ部にそれぞれ取り付けた針間の距離を精密に変化させることができ、結果的に回転を微少な直線運動へ変換することができる。しかしながら、この方法では、相対的な直線方向移動量の差を取り出すために、回転させるねじ軸に対していずれの針も移動することになり、装置への組み込みが難しい。また、ピッチの異なるねじを組み合わせるために、製造上複雑な工程が必要となる。さらに、最大直線運動力は、ピッチの小さい方のねじに依存し、ピッチが小さい分だけねじ山の実用強度も低くなるという問題がある。
【０００７】
前項（３）のラックピニオン機構を用いた装置は、図３に示すように、比較的軽いものを粗動させる際に広く用いられている。回転運動を直線運動に変換する機構としては一般的であるが、歯車の噛み合っている領域が小さく限られているので、大きな力を伝達する用途には適していない。
【０００８】
前項（４）のウォームギヤとねじを組み合わせた機構を用いた装置は、図４に示すように、回転運動を直線運動に変換する機構が実際に用いられている。ウォームギヤの長所は、平歯車と比べて大きな減速比が得られる点と、停止時の保持力が大きい点である。しかしながら、ウォームギヤは、すべり接触であり、熱を発生しやすいために摩耗が進行しやすく、バックラッシが大きくなる。また、機械効率が低いために平歯車と比べて負荷容量が小さいという欠点を有する。さらに、装置を小型化しようとすると、ウォームギヤの噛み合いが少なくなるため、強度や耐久性が低下する。
【０００９】
前項（５）のクランク機構を用いた装置は、回転運動を往復直線運動に変換する機構として古くから用いられており、プレス機械の圧縮力伝達機構としては最も広く使われている（図５）。しかしながら、前項（５）の装置は、その機構上、発生しうる力はストローク位置によって変化し、ストローク中央では加圧力が最も小さくなる。すなわち、ストロークの途中で停止させたり、変速させる用途には適してなく、変位制御は困難である。
【００１０】
前項（６）のパンタグラフ機構を用いた装置は、図６に示すように、部品点数が少なく、特殊な減速機構を用いることなく大きな直線運動力が得られるという長所を有する。しかしながら、前項（６）の装置は、回転量と直線変位が比例しないため、精密な変位制御を行うことは難しい。
【００１１】
このため、本発明者らは、差動的なねじ機構を用いて、大きな直線運動力と精密な変位制御を両立させるための検討を行った。
【００１２】
例えば特許文献１には、入力軸と、２つのねじ部を有する中間軸と、該中間軸と軸平行に配置され、軸の一部にねじ部を有する出力軸と、中間軸の一のねじ部に螺合するナット及び出力軸のねじ部に螺合するナットを連結するコラムとからなり、２つのねじ部の差動作用を利用して変位制御することが記載されている。
【００１３】
特許文献１記載の変位制御方法は、同一回転軸（中間軸）に設けられた２つのねじ部のリード差により差動作用を生じさせるものであるが、最終的には回転出力を得るための機構であって、回転トルクを直線運動力に変換する機構ではない。
【００１４】
また、特許文献２には、差動レバーを利用して直線的な微変位を行い高精度に位置決めするためのサブマイクロマニプレータが記載されているが、精密な直線運動を達成するためには、半径の大きな歯車を有する直動レバーやピッチの小さなウォームが必要になり、構成が複雑になるという問題がある。
【００１５】
さらに、特許文献３には、ハウジングと駆動スリーブの間に中間アクチュエータ部材を装着した構成を有し、ねじ機構により回転を直線運動に変換し、また、回転量に対して直線運動量を比例的に変化させることができる差動式リニア・アクチュエータが記載されているが、この中間アクチュエータ部材は、複雑な構成を有しており、加工が難しいという問題がある。
【００１６】
さらにまた、特許文献４には、遊星歯車伝動装置の回転駆動運動を直線運動に変換する構成を有し、歯車の歯数やねじのピッチを変えることにより、入力直線運動の移動出力比を変えることが可能であり、回転量に対し直線移動量を比例的に変化させることができるブレーキ操作装置が記載されているが、このブレーキ装置は、２つの電動モータが必要であるため、装置の小型化や軽量化を図ることは難しいという問題点がある。
【００１７】
加えて、特許文献５には、ベースと支持板と可動体と主軸モータとねじ軸と、第一のねじをもつ差動円筒と第二のねじと差動円筒を支持板およびねじ軸とに対して回転させるモータとを有し、そのモータの回転によって差動円筒をねじ軸とともに支持板に対して上下移動させる差動機構を備えたプレス装置が記載されているが、この装置は、２個のモータが必要であり、装置の小型化や軽量化の点で不利である。
【特許文献１】特開昭５９−７７１６２号公報
【特許文献２】特開昭６１−１３１８８２号公報
【特許文献３】特開平６−３２３３９４号公報
【特許文献４】特表２０００−５０７３３２号公報
【特許文献５】特開２００５−６６６５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
この発明の目的は、特に電動モータなどの回転力を動力源とし、特殊（高価）な機械要素を用いることなく、差動機構を介した直線運動に変換することにより、小さな入力トルクから大きな直線運動出力を発生させるとともに、回転量を比例的に直線運動へ変換することによって精密に位置決めし、かつ完全に静止することが必要な材料試験機や精密扛重機、切削加工機における工作物移動装置など、さらには小型化が可能であるリニア・アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するため、この発明の要旨は以下のとおりである。
(I)少なくとも１つの支持部材に、回転可能に担持される少なくとも１本の回転軸と、軸方向への移動可能に担持される少なくとも１本の移動軸とを設け、
回転軸は、その少なくとも片側に第１伝動手段を有し、回転軸の所定部分に、第１伝動手段とともに同一方向に回転する第２伝動手段をもち、
移動軸は、その少なくとも片側に、回転軸に設けた第１伝動手段と係合する第３伝動手段を有し、移動軸の所定部分に、第３伝動手段とともに同一方向に回転する第１雄ねじ部をもち、先端に軸方向への位置決め制御を行うヘッド部を有し、
少なくとも移動軸の第１雄ねじ部が螺合する第１雌ねじ孔と、回転軸の第２伝動手段との連係動作する第４伝動手段をもち、第１雄ねじ部に沿って、支持部材に対する相対移動が可能な少なくとも１つの移動部材を設け、
移動軸の軸方向移動量は、回転軸の回転に伴う移動部材および移動軸の一の軸方向へ移動する距離と、回転軸の回転が第１および第３伝動手段を通じて移動軸に伝達されて移動軸が回転することにより、移動部材に対して移動軸が一の軸方向とは逆向きの軸方向に移動する距離との差であることを特徴とするリニア・アクチュエータ。
【００２０】
(II)第１及び第３伝動手段はいずれも歯車である上記(I)記載のリニア・アクチュエータ。
【００２１】
(III)前記回転軸と前記移動軸は平行に配置され、第２伝動手段は第２雄ねじ部であり、第４伝動手段は第２雌ねじ孔である上記(I)または（II）記載のリニア・アクチュエータ。
【００２２】
(IV)移動軸のヘッド部の軸方向移動量は、第１および第２雄ねじ部のピッチ比と、第１及び第３伝動手段の歯数比とで決定される上記(III)記載のリニア・アクチュエータ。
【００２３】
(V)回転軸の第２雄ねじ部が、右ねじまたは左ねじで形成され、移動軸の第１雄ねじ部が、第２雄ねじ部とは逆向きのねじで形成され、第１伝動手段を一方向に回転させると、回転軸が第１伝動手段とともに共回転して移動部材を前進させ、移動部材が回転軸の第２雄ねじ部に沿って移動軸を前進させる方向に移動させると同時に、第１伝動手段との係合動作で第１伝動手段とは逆向きに第３伝動手段が回転して、移動軸を、移動部材の移動方向とは逆向きの方向に移動させるように構成する上記(III)または(IV)記載のリニア・アクチュエータ。
【００２４】
(VI)回転軸の第２雄ねじ部と移動軸の第１雄ねじ部が、ともに右ねじで形成され、第１伝動手段と第３伝動手段の間に、これらと係合動作する第５伝動手段を設け、第１伝動手段を一方向に回転させると、回転軸が第１伝動手段とともに共回転して移動部材を前進させ、移動部材が回転軸の第２雄ねじ部に沿って移動軸を前進させる方向に移動させると同時に、第５伝動手段を介した第１伝動手段との係合動作で第１伝動手段と同じ向きに第３伝動手段が回転して、移動軸を、移動部材の移動方向とは逆向きの方向に移動させるように構成する上記(III)または(IV)記載のリニア・アクチュエータ。
【００２５】
(VII)移動軸を１本とし、回転軸を２本とする上記(I)〜(VI)のいずれか１項記載のリニア・アクチュエータ。
【００２６】
(VIII)平行配置した２本の回転軸の第１伝動手段を挟んで移動軸の第３伝動手段とは反対側に、両回転軸の第１伝動手段と係合動作する第６伝達手段を設け、該第６伝動手段は、駆動軸を介して駆動手段に連結される上記（VII）記載のリニア・アクチュエータ。
【００２７】
(IX)前記回転軸と前記移動軸は直交して配置され、第２伝動手段はピニオンであり、第４伝動手段はラックである上記(I)または(II)記載のリニア・アクチュエータ。
【発明の効果】
【００２８】
この発明によれば、特殊（または高価）な機械要素を用いることなく、回転運動を差動機構を介した直線運動に変換することにより、小さな入力トルクから大きな直線運動出力を発生させるとともに、回転量を比例的に直線運動へ変換することによって精密に位置決め制御することができる。
【００２９】
また、回転軸と移動軸とを平行に配置する構造にすれば、アクチュエータ全体をコンパクトにすることができる。
【００３０】
さらに、この発明は、移動軸の軸方向移動量が、移動部材および移動軸の一の軸方向へ移動する距離と、移動部材に対して移動軸が一の軸方向とは逆向きの軸方向に移動する距離との差によって定められるため、回転軸の第２雄ねじ部や移動軸の第１雄ねじ部のピッチを大きく設定することができる結果、大荷重を負荷することができる。
【００３１】
さらにまた、この発明のアクチュエータは、例えば歯車のような伝動手段と、回転軸や移動軸のようなねじとの組み合わせで主として構成すれば、構成が単純になり、しかも、これらの部材は安価に入手することができる。
【００３２】
従来でも、高精度かつ高出力なリニア・アクチュエータの製造は、高価な材料で構成するとともに、高精度に研削仕上げされたねじを用いれば可能であったが、そのように高価なねじを用いることができる用途は限られており、しかも、通常のボールねじは高精度であるものの高出力が難しく、広く用いられている安価な台形ねじでは高出力であるがリード角が大きいために精度が悪くなり、結果として、高精度に研削仕上げされたねじを用いたとしても、高出力と高精度の双方を満足させることは困難であった。これに対し、この発明では、安価な台形ねじを用いても比較的精度良く変位を制御することができるという効果がある。
【００３３】
また、台形ねじを用いて小さい変位を得ようとすれば、台形ねじの回転を極めて遅くする必要があるために、静摩擦と動摩擦の切り替わりによる摩擦力変動や、モータの回転速度を低下させることによる発生トルクの低下などを引き起こしていたが、この発明では、差動機構の採用により、変位が小さい場合にも、移動軸の軸方向移動量と比較して、ねじ面上の移動速度は比較的速くできるので、摩擦力の変動が抑制され、かつモータの回転速度を速い状態で維持することができ、その結果、精密な位置決め制御が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
この発明に従う実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。
図７は、この発明に従うリニア・アクチュエータの要部構成を示したものであり、図８(a)〜(c)はそれぞれ図７のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面およびＣ−Ｃ断面を示したものである。
【００３５】
この発明のリニア・アクチュエータ１は、少なくとも１つの支持部材、図７では、４つの支持部材２，３、７，８、回転軸４、移動軸５および移動部材６とで主に構成されている。
【００３６】
図７では、２つの支持部材２，３は、所定の間隔をおいて互いに平行に配置されているとともに、さらに、支持部材２，３の強度を高める上で、支持部材２，３の両端をそれぞれ連結するさらに別の２つの支持部材７，８を設け、合計４つの支持部材２，３，７，８で、全体として矩形の平面形状を形成した場合を示している。なお、これらの支持部材の個数や形状等については、必要に応じて適宜変更することができる。
【００３７】
また、これらの支持部材２，３に、軸方向に移動させることなく回転可能に担持される少なくとも１本（図７では２本）の回転軸４と、軸方向への直線移動可能に担持される少なくとも１本（図７では１本）の移動軸５とが平行に設けられている。
【００３８】
回転軸４を軸方向に移動させることなく回転可能に担持する手段としては、例えば、図７および図8(a)に示すように、前記支持部材２，３のそれぞれに貫通孔９を形成し、これらの貫通孔９の内周面に複数個の剛球からなる軸受１０を配設することにより、回転軸４を回転可能に担持するとともに、支持部材２、３に隣接する回転軸４の両側部分に、ストッパーとして、外径を拡大したフランジ部１１を設けることが好ましい。
【００３９】
また、移動軸５を軸方向に直線移動可能に担持する手段としては、フランジ部を設けないこと以外は回転軸４を担持する手段と同様に構成しさえすればよい。
【００４０】
回転軸４は、その少なくとも片側に第１伝動手段１２、好適には歯車を有し、回転軸の所定部分、図７では支持部材２，３間に位置する部分に、第１伝動手段１２とともに同一方向に回転する第２伝動手段、図７では第２雄ねじ部１３を有する。第２雄ねじ部１３は、軸回りに特定方向、例えば図７では、図の右側から眺めて、右ねじになるような方向にねじ切りして形成したものである。
【００４１】
移動軸５は、その少なくとも片側に、回転軸４に設けた第１伝動手段１２と係合する第３伝動手段１４、好適には歯車を有し、移動軸の所定部分、図７では支持部材２，３間に位置する部分に、第３伝動手段１４とともに同一方向に回転する第１雄ねじ部１５をもち、先端に、軸方向への位置決め制御を行うヘッド部２８を有する。第１ねじ部１５、軸回りに特定方向、例えば図７では、図の右側から眺めて、左ねじになるような方向にねじ切りして形成したものである。
【００４２】
移動部材６は、回転軸４の第２伝動手段である第２雄ねじ部１３と、移動軸５の第１雄ねじ部１５とが、それぞれ螺合する第４伝動手段である第２雌ねじ孔１６と、第１雌ねじ孔１７をもち、第２および第１雄ねじ部１３、１５に沿って、支持部材２に対し相対移動可能に構成される。
【００４３】
そして、この発明では、移動軸５（、より厳密にはヘッド部２８）の軸方向移動量が、回転軸４の回転に伴う移動部材６および移動軸５の一の軸方向ｘへ移動する距離と、回転軸の回転が第１伝動手段１２および第３伝動手段１４を通じて移動軸５に伝達されて移動軸５が回転することにより、移動部材６に対して移動軸５が一の軸方向ｘとは逆向きの軸方向ｙに移動する距離との差によるものであり、この構成を採用することにより、特殊（高価）な機械要素を用いることなく、差動機構を介した直線運動に変換することにより、小さな入力トルクから大きな直線運動出力を発生させるとともに、回転量を比例的に直線運動へ変換することによって精密に位置決め制御することができる。
【００４４】
次に、図７に示すリニア・アクチュエータの動作機構を以下で詳細に説明する。
図７のリニア・アクチュエータは、例えば電動モータのような駆動手段（図示せず）が第１伝動手段１２（図７では第１歯車）に連結され、駆動手段を作動させることによって、第１歯車１２を、図７の右側から眺めて、反時計回りに回転させる。なお、図７では、移動部材６を回転軸４に沿って円滑に移動させるため、移動軸５を挟んで２本の回転軸４，４を平行に配設した場合を示してあるが、このように回転軸４の配設本数は必要に応じて適宜変更することができる。また、この発明では、第１歯車１２を複数個配設することも可能であり、この場合には、これらの第１歯車１２を同じ回転速度で同時入力するように構成すれば、歯車の１歯あたりの負荷容量を減らすことができるため、さらに大きな動力を伝達することができる。
【００４５】
次いで、第１歯車１２が反時計回りに回転すると、これとともに共回転する回転軸４もまた、反時計回りに回転する。このとき、回転軸４は、軸受１０を介して両支持部材２，３によって回転可能に担持されている。
【００４６】
回転軸４は、その第２雄ねじ部１３が、移動部材６の第２雌ねじ部１６に螺合されており、第２雄ねじ部１３が、図１の右側から眺めて、右ねじであって、回転軸４が反時計回りに回転することに伴って、支持部材２に対し、移動部材６が回転軸４に沿って、図１の軸方向ｘ（左方向）に移動する。この移動部材６には、移動軸５の第１雄ねじ部１５が、移動部材６の第１雌ねじ部１７に螺合されているため、移動部材６の軸方向ｘへの移動距離と同じだけ移動軸５も軸方向ｘに移動することになる。なお、この発明では、回転軸４は１本でも動作可能であるが、図１に示すように、複数本配設することが移動部材６に作用する余分なモーメントを防止できる点で好ましい。また、移動部材６は、１個でもよいが、高い直線運動力に耐え得るようにするためには、回転軸４および移動軸５の雄ねじ部１３，１５と螺合する雌ねじの歯数が多くなるようにするため、複数個にするか、あるいは板厚を厚くすることが好ましい。
【００４７】
一方、図７に示す移動軸５は、軸受１０を介して両支持部材２，３によって回転および直動（直線移動）可能に担持されており、第１歯車１２の回転力は、第１歯車１２と係合する第３伝動手段１４（図１では第２歯車）に伝達され、第２歯車１４は、第１歯車１２の回転力によって、時計回りに回転し、第２歯車１４が時計回りに回転すると、これとともに共回転する移動軸５もまた、時計回りに回転する。移動軸５は、その第１雄ねじ部１５が、移動部材６の第１雌ねじ部１７に螺合されており、第１雄ねじ部１５が、図１の右側から眺めて、左ねじであって、移動軸５が時計回りに回転することに伴って、移動部材６に対し移動軸５が、図１の軸方向ｘとは逆向きの軸方向ｙ（右方向）に移動することになる。
【００４８】
この結果、移動軸５は、回転軸４の回転に伴う移動部材６および移動軸５の一の軸方向ｘへ移動する距離と、回転軸４の回転が第１歯車１２および第２歯車１４を通じて移動軸に伝達されて移動軸が回転することにより、移動部材６に対して移動軸５が一の軸方向ｘとは逆向きの軸方向ｙに移動する距離との差の分だけ軸方向に移動することになり、移動軸のヘッド部２８は、この機構において直線運動力を出力する部位であり、結果として移動軸５においては、前述した移動部材６による軸方向ｘへの移動量から、回転による移動部材６に対する軸方向ｙへの移動量を差し引いた分だけ、軸方向ｘへ直線移動する、いわゆる差動的な出力を得ることができる。
【００４９】
このような軸方向ｘへの差動を達成するには、第１歯車１２および第２歯車１４の歯数比と、回転軸４の第２雄ねじ部１３と移動軸５の第１雄ねじ部１５のピッチ比を適切に組み合わせることが必要になる。例えば、第１歯車１２と第２歯車１４の歯数が等しい場合には、移動軸５のピッチを回転軸４のピッチよりも小さくすれば、結果的に移動軸５を軸方向ｘに移動させることができる。また、回転軸４のピッチと移動軸５のピッチが等しい場合には、第２歯車１４の歯数を第１歯車１２の歯数よりも多くすれば、結果的に移動軸５を軸方向ｘに移動させることができる。
【００５０】
その他の場合においても、各歯車１２，１４の歯数比と、回転軸４および移動軸５のねじ部１３、１５のピッチ比を適切に決定することにより、移動軸５の軸方向ｘへの差動を達成することが可能になる。
【００５１】
なお、この実施形態では、第２歯車１４は、移動軸５とともに直動（軸方向への移動）するので、その際にも、第２歯車１４と第１歯車１２の係合状態が維持できるように、第２歯車１４には軸方向に長い形状のものを用いた場合を示しているが、上記係合状態を維持できる構成であればよく、上記構成だけには限定されない。
【００５２】
また、図９は、図8(c)に示す２本の回転軸４と１本の移動軸５の配置構成の変形例を示したものである。
【００５３】
この実施例では、１個の電動モータなどによる回転入力が、入力軸１８の片側に連結されている第６伝達手段である入力歯車１９を、図９では時計回りに回転させる。この入力歯車１９は、歯数が等しい２個の第１歯車１２と直接的に噛み合っており、これらを同時に反時計回りに回転させる。さらに、これらの第１歯車１２は、第２歯車１４と直接的に噛み合っており、第２歯車１４を時計回りに回転させる。モータのトルクが大きい場合、あるいは入力歯車１９と第１歯車１２の減速比を充分に大きくできる場合には、この実施例のように配置することによって、２個の第１歯車１２に対して等しい回転を与えることができるので効率的であり、加えて、図8(c)の装置構成のように、回転軸４と移動軸５を一列に配置した場合と比較して、装置構成を小型化することができる。
【００５４】
また、この発明のアクチュエータを構成する各部材については、次のように変更することも可能である。
【００５５】
直線運動を出力する移動軸５の配設本数は複数本にすることも可能である。この際、複数本の移動軸５は、同時に直動することから、その先端にスラストベアリングなどを介して昇降板を取り付ければ、高い可搬力を有する昇降装置として用いることができる。
【００５６】
第２歯車１４は、移動軸５に回転を伝達するだけであれば、例えば、移動軸５と第２歯車１４との間にボールスプラインなどを設けて、第２歯車１４が移動軸５に対してスライド移動可能に構成すれば、第２歯車１４として軸方向に長いものを用いなくても、第１歯車１２との係合状態を維持でき、加えて、軽量化も図れる点で好ましい。また、この構成を採用する場合には、第１及び第２歯車１２，１４として、平歯車よりも伝達容量が大きい「はすば歯車」を用いることも可能になる。
【００５７】
また、上記実施例では、第１及び第２伝動手段１２，１４として歯車を用いた場合を示してあるが、直動と回転の双方を許容するのであれば、無端ベルトなどの他の伝動手段を用いてもよい。
【００５８】
さらに、図７では、移動軸５のヘッド部２８での出力が、外向き方向（図の軸方向ｘ）への直線運動力を発生させる場合を示しているが、各歯車１２，１４の歯数比と、回転軸４および移動軸５のねじ部１３、１５のピッチ比の関係を、図７の場合とは反対になるように設定することにより、移動軸５のヘッド部２８での出力が、内向き方向（図の軸方向ｙ）への直線運動力を発生させるように変更することも可能である。例えば、移動軸５の第１雄ねじ部１５と回転軸４の第２雄ねじ部１３のピッチ比を等しくし、第２歯車１４の歯数を第１歯車１２の歯数よりも少なくすることで達成できる。
【００５９】
また、図７では、両支持部材２，３を固定し、移動部材６を軸方向へ移動可能にした場合を示しているが、反対に、移動部材６を固定し、両支持部材２，３を移動可能に構成することもできる。
【００６０】
さらに、図７では、駆動手段による回転力を、第１歯車１２に入力する場合を示しているが、第２歯車１４に入力するように構成してもよい。
【００６１】
また、図１０は、他の実施形態を示したものである。
ところで、図７では、回転軸４の第２雄ねじ部１３が右ねじ、移動軸５の第１雄ねじ部１５が左ねじのものを用いた場合を示したが、左ねじのものは汎用的ではなく入手しにくい場合も多い。
【００６２】
このような場合には、図１０および図11(a)〜(d)に示すように、回転軸４の第２雄ねじ部１３と移動軸５の第１雄ねじ部１５が、ともに右ねじで形成され、支持部材２と別の支持部材27とで回転可能に担持した回転軸26に連結された第５伝動手段である第３歯車２０を第１歯車１２と第２歯車１４の間に設け、第１歯車１２を一方向（図１０では反時計方向）に回転させると、回転軸４が第１歯車１２とともに共回転して、移動部材６が回転軸４の第２雄ねじ部１３に沿って移動軸５を前進させる方向（軸方向ｘ）に移動させると同時に、第３歯車２０を介した第１歯車１２との係合動作で第１歯車１２と同じ向き（図１０では反時計方向）に第２歯車１４が回転して、移動軸５を、移動部材６の移動方向（軸方向ｘ）とは逆向きの方向（軸方向ｙ）に移動させるように構成すればよい。なお、本発明では、回転軸４の第２雄ねじ部１３と移動軸５の第１雄ねじ部１５のいずれもが左ねじで形成した場合を除外しているわけではなく、かかる場合も含まれることは言うまでもない。
【００６３】
なお、上記構成において、アクチュエータ全体を小型化する必要がある場合には、第３歯車２０の外径寸法をできるだけ小さくすることが望ましい。その場合、歯数の等しい複数個の第３歯車２０を配設することが、伝達トルクの減少を防止する上で好適である。また、第３歯車２０として軸方向に長いものを用いれば、大きな外径をもつ第２歯車１４を軸方向に長くしなくても、これらの歯車１２と歯車２０間および歯車１４と歯車２０間の係合状態を維持することができ、この結果、全体重量が低減される。
【００６４】
上記実施例ではいずれも、移動軸５は直線運動すると同時に回転もする。このような回転は、移動軸５と作用対象との間をスラストベアリング介して接続することによって、作用対象の回転を防止できるが、移動軸５自体を回転させないようにしたい場合には、例えば、図１２および図１３(a)〜(d)に示すように、１対の支持部材２，３を固設し、これら両支持部材２，３で、一対の第４伝動手段である第４歯車21a,21bを連結した回転入力軸22と移動軸５とを担持し、移動軸５と回転軸４とで担持される２対の回転部材23aと23b、24aと24bを配設し、回転入力軸22の第４歯車21a,21bと、３本の回転軸４の第１歯車12a,12bとの間に、リング状の第５歯車25a,25bを回転可能に配置し、回転入力軸22に入力された回転力は、第４歯車21a,21bを介して第５歯車25a,25bに伝達されて、図13(c)に示す矢印方向に回転し、これら第５歯車25a,25bの回転により、３個の第１歯車12a,12bが回転しながら第２歯車14a,14bの回りを転動することにより、回転部材23a、23b、24a、24bと移動部材６とが移動軸５の回りに回転し、回転軸４の回転による移動部材６の一の軸方向（軸方向ｘ）への移動量と、移動軸５の回りの回転による移動部材６に対する移動軸５の逆向きの軸方向（軸方向ｙ）への移動量との差によって、移動軸５の軸方向ｘへの差動を達成することができる。
【００６５】
また、移動部材６と支持部材２，３の位置関係について、本発明では、図７に示すように、移動部材６が支持部材２，３間にある場合だけには限定されず、図14(a)〜(d)に示すように、支持部材２，３の外側に配置することもできる。
さらに、その他の実施形態として、回転軸４と移動軸５とを、図15(a)〜(d)に示すように、１つの支持部材33のみで担持するように構成することは可能である。
【００６６】
ここまでは、前記回転軸と前記移動軸が平行に配置した場合について説明してきたが、本発明では、図16(a)〜(d)に示すように、前記回転軸を前記移動軸に対し直交して配置することもできる。この場合、第２伝動手段を、第２雄ねじ部１３とする代わりに、ピニオン２９とするとともに、第４伝動手段を、第２雌ねじ孔１６とする代わりに、ラックとして構成することが好ましい。
【００６７】
なお、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
この発明によれば、特殊（または高価）な機械要素を用いることなく、差動機構を介した直線運動に変換することにより、小さな入力トルクから大きな直線運動出力を発生させるとともに、回転量を比例的に直線運動へ変換することによって精密に位置決め制御することができる。
【００６９】
また、回転軸と移動軸とを平行に配置する構造にすることにより、アクチュエータ全体をコンパクトにすることができる。
【００７０】
さらに、この発明は、移動軸の軸方向移動量が、移動部材および移動軸の一の軸方向へ移動する距離と、移動部材に対する移動軸の一の軸方向とは逆向きの軸方向へ移動する距離との差によって定められるため、回転軸の第２雄ねじ部や移動軸の第１雄ねじ部のピッチを大きく設定することができる結果、大荷重を負荷することができる。
【００７１】
さらにまた、この発明のアクチュエータは、例えば歯車のような伝動手段と、回転軸や移動軸のようなねじとの組み合わせで主として構成されているため、構成が単純であり、しかも、これらの部材は安価で入手することができる。
【００７２】
従来でも、高精度かつ高出力なリニア・アクチュエータの製造は、高価な材料で構成するとともに、高精度に研削仕上げされたねじを用いれば可能であったが、そのようなねじを用いることができる用途は限られており、しかも、通常のボールねじは高精度であるものの高出力が困難であり、広く用いられている安価な台形ねじでは高出力であるが精度が悪くなり、結果として、高精度に研削仕上げされたねじを用いたとしても、高出力と高精度の双方を満足させることはできなかった。これに対し、この発明では、安価な台形ねじを用いても比較的精度良く変位を制御することができるという効果がある。
【００７３】
また、台形ねじを用いて小さい変位を得ようとすれば、台形ねじの回転を極めて遅くする必要があるために、静摩擦と動摩擦の切り替わりによる摩擦力変動や、モータの回転速度を低下させることによる発生トルクの低下などを引き起こしていたが、この発明では、差動機構の採用により、変位が小さい場合にも、移動軸の軸方向移動量と比較して、ねじ面上の移動速度は比較的速くできるので、摩擦力の変動が抑制され、かつモータの回転速度を速い状態で維持することができ、その結果、精密な位置決め制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】ねじとナットを直接組み合わせた従来装置を示した図である。
【図２】差動ねじ機構を用いた従来装置を示した図である。
【図３】ラックピニオン機構を用いた従来装置を示した図である。
【図４】ウォーム機構を用いた従来装置を示した図である。
【図５】クランク機構を用いた従来装置を示した図である。
【図６】パンタグラフ機構を用い従来装置を示した図である。
【図７】この発明に従う代表的なリニア・アクチュエータを示す正面図である。
【図８】(a)は、図７のＡ−Ａ断面図、(b)は図７のＢ−Ｂ断面図、そして(c)は図７のＣ−Ｃ断面図である。
【図９】図8(c)の変形例である。
【図１０】他の実施形態を示す図である。
【図１１】(a)は、図10のＡ−Ａ断面図、(b)は図10のＢ−Ｂ断面図、(c)は図10のＣ−Ｃ断面図、(d)は図10のＤ−Ｄ断面図である。
【図１２】他の実施形態を示す図である。
【図１３】(a)は、図12のＡ−Ａ断面図、(b)は図12のＢ−Ｂ断面図、(c)は図12のＣ−Ｃ断面図、(d)は図12のＤ−Ｄ断面図である。
【図１４】(a)は、他の実施形態を示す正面図であり、(b)は、(a)のＡ−Ａ断面図、(b)は(a)のＢ−Ｂ断面図、そして(c)は(a)のＣ−Ｃ断面図である。
【図１５】(a)は、他の実施形態を示す正面図であり、(b)は、(a)のＡ−Ａ断面図、(c)は(a)のＢ−Ｂ断面図、そして(d)は(a)のＣ−Ｃ断面図である。
【図１６】(a)は、他の実施形態を示す正面図であり、(b)は、(a)の矢印Ａ方向から眺めたときの平面図、(c)は(a)のＢ−Ｂ断面図、そして(d)は(a)のＣ−Ｃ断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１  リニア・アクチュエータ
２，３，27  支持部材
４  回転軸
５  移動軸
６  移動部材
７，８  支持部材
９  貫通孔
10  軸受
11  フランジ部
12，12a，12b  第１伝動手段または第１歯車
13  第２雄ねじ部
14，14a，14b  第３伝動手段または第２歯車
15  第１雄ねじ部
16  第２雌ねじ孔
17  第１雌ねじ孔
18  入力軸
19  入力歯車
20  第３歯車
21a,21b  第４歯車
22  回転入力軸
23a,23b,24a,24b  回転部材
25a,25b 第５歯車  
26  回転軸
28  移動軸のヘッド部
29  ピニオン
30  ラック
31  直動案内部
32  回転直動案内部
33  支持部材
【図１】
2007046734.tif 000003
【図２】
2007046734.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007046734.tif 000007
【図６】
2007046734.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
2007046734.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2007046734.tif 000013
【図１２】
2007046734.tif 000014
【図１３】
2007046734.tif 000015
【図１４】
2007046734.tif 000016
【図１５】
2007046734.tif 000017
【図１６】
2007046734.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成18年8月1日(2006.8.1)
【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】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
少なくとも１つの支持部材に、回転可能に担持される少なくとも１本の回転軸と、軸方向への移動可能に担持される少なくとも１本の移動軸とを設け、
回転軸は、その少なくとも片側に第１伝動手段を有し、回転軸の所定部分に、第１伝動手段とともに同一方向に回転する第２伝動手段をもち、
移動軸は、その少なくとも片側に、回転軸に設けた第１伝動手段と係合する第３伝動手段を有し、移動軸の所定部分に、第３伝動手段とともに同一方向に回転する第１雄ねじ部をもち、先端に軸方向への位置決め制御を行うヘッド部を有し、
少なくとも移動軸の第１雄ねじ部が螺合する第１雌ねじ孔と、回転軸の第２伝動手段と連係動作する第４伝動手段をもち、第１雄ねじ部に沿って、支持部材に対する相対移動が可能な少なくとも１つの移動部材を設け、
移動軸のヘッド部における軸方向移動量は、回転軸の回転に伴う移動部材および移動軸の一の軸方向へ移動する距離と、回転軸の回転が第１および第３伝動手段を通じて移動軸に伝達されて移動軸が回転することにより、前記一の軸方向へ移動する移動部材に対して移動軸が一の軸方向とは逆向きの軸方向に移動する距離との差であることを特徴とするリニア・アクチュエータ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
上記目的を達成するため、この発明の要旨は以下のとおりである。
(I)少なくとも１つの支持部材に、回転可能に担持される少なくとも１本の回転軸と、軸方向への移動可能に担持される少なくとも１本の移動軸とを設け、
回転軸は、その少なくとも片側に第１伝動手段を有し、回転軸の所定部分に、第１伝動手段とともに同一方向に回転する第２伝動手段をもち、
移動軸は、その少なくとも片側に、回転軸に設けた第１伝動手段と係合する第３伝動手段を有し、移動軸の所定部分に、第３伝動手段とともに同一方向に回転する第１雄ねじ部をもち、先端に軸方向への位置決め制御を行うヘッド部を有し、
少なくとも移動軸の第１雄ねじ部が螺合する第１雌ねじ孔と、回転軸の第２伝動手段との連係動作する第４伝動手段をもち、第１雄ねじ部に沿って、支持部材に対する相対移動が可能な少なくとも１つの移動部材を設け、
移動軸のヘッド部における軸方向移動量は、回転軸の回転に伴う移動部材および移動軸の一の軸方向へ移動する距離と、回転軸の回転が第１および第３伝動手段を通じて移動軸に伝達されて移動軸が回転することにより、前記一の軸方向へ移動する移動部材に対して移動軸が一の軸方向とは逆向きの軸方向に移動する距離との差であることを特徴とするリニア・アクチュエータ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
さらに、この発明は、移動軸のヘッド部における軸方向移動量が、移動部材および移動軸の一の軸方向へ移動する距離と、前記一の軸方向へ移動する移動部材に対して移動軸が一の軸方向とは逆向きの軸方向に移動する距離との差によって定められるため、回転軸の第２雄ねじ部や移動軸の第１雄ねじ部のピッチを大きく設定することができる結果、大荷重を負荷することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
そして、この発明では、移動軸５のヘッド部２８における軸方向移動量が、回転軸４の回転に伴う移動部材６および移動軸５の一の軸方向ｘへ移動する距離と、回転軸の回転が第１伝動手段１２および第３伝動手段１４を通じて移動軸５に伝達されて移動軸５が回転することにより、前記一の軸方向ｘへ移動する移動部材６に対して移動軸５が一の軸方向ｘとは逆向きの軸方向ｙに移動する距離との差によるものであり、この構成を採用することにより、特殊（高価）な機械要素を用いることなく、差動機構を介した直線運動に変換することにより、小さな入力トルクから大きな直線運動出力を発生させるとともに、回転量を比例的に直線運動へ変換することによって精密に位置決め制御することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
さらに、この発明は、移動軸のヘッド部における軸方向移動量が、移動部材および移動軸の一の軸方向へ移動する距離と、前記一の軸方向へ移動する移動部材に対する移動軸の一の軸方向とは逆向きの軸方向へ移動する距離との差によって定められるため、回転軸の第２雄ねじ部や移動軸の第１雄ねじ部のピッチを大きく設定することができる結果、大荷重を負荷することができる。