(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータのロータの回転運動を駆動軸の直進運動に変換する変換手段を有するリニア駆動装置において、
上記可動軸の前進時に可動軸にかかるスラスト方向の反力を受けるスラスト受け構造を有し、
上記スラスト受け構造は、上記可動軸の前進時に可動軸にかかるスラスト方向の反力に基づく上記ロータの回転摩擦の増加を抑制する点接触によるスラスト受け構造であり、
ロータは、中心に可動軸が挿入される円筒部を有し、この円筒部の内周側には小径部と大径部が形成され、
上記小径部は上記円筒部の前端側に設けられ、この小径部の内周側に、上記可動軸の外周に形成されている雄リードスクリューと噛み合う雌リードスクリューが形成され、
上記円筒部の大径部後端の内周側に低摩擦部材が嵌合され、この低摩擦部材がスラスト受け構造の一部を構成していることを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項２】
スラスト受け構造は、ロータ後端の回転中心点を受ける構造である請求項１記載のリニア駆動装置。
【請求項３】
可動軸の前進によってロータをスラスト受け構造側に押圧する向きの負荷が、可動軸の後退によってロータをスラスト受け構造側から引き離す向きの負荷よりも大きい請求項１または２記載のリニア駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動源の回転運動を駆動軸の直線運動に変換することができるリニア駆動装置に関するもので、例えば、給水装置の弁の開閉や風呂の排水栓の開閉アクチュエータなどとして利用することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、給水装置の弁の開閉や風呂の排水栓の開閉アクチュエータなどとして利用することができるリニア駆動装置が各種提案されている。実開昭５７−１２７５６７号公報に記載されている発明はその例である。上記公報記載の発明は、回転方向の動きを規制されスラスト方向に移動可能で雄ねじが形成された出力軸と、モータのロータに形成され上記出力軸の雄ねじと噛み合う雌ねじと、モータのロータの一端に形成されたピニオンと、このピニオンと噛み合う歯車と、この歯車に形成された回転規制のための凸部と、支持台に設けられ上記凸部と干渉することによって上記歯車の回転領域を規制する凸部とを有してなり、上記歯車の回転領域を規制することにより、結果的に上記出力軸の直線移動ストロークを規制するものである。そして、中心孔の一部に上記雌ねじおよび出力軸の雄ねじの径よりも大きい貫通孔を有するロータを回転させ、出力軸をスラスト方向に駆動し、出力軸が受ける推力を、ロータ貫通孔を構成するパイプ部の端面で受ける構造になっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記実開昭５７−１２７５６７号公報記載の発明は、上記のように、ロータの中心孔に雌ネジを形成し、この雌ネジに出力軸の雄ねじを螺合させ、出力軸がロータの中心孔の中をスラスト移動する構造の場合、ロータの端面は上記ネジの径よりも径の大きい内径のパイプ形状となり、この径の大きいロータ端面で出力軸の推力を受けるため、ロータの端面で大きな摺動ロスを生じ、結果的に大きな推力を得ることができないという難点がある。また、上記のように径の大きいロータ端面で推力を受けるため、推力受け面におけるロータ端面の周速が大きくなってＰＶ値が大きくなり、耐摩耗性、耐久性が劣るという難点がある。
【０００４】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、モータのロータの回転運動を駆動軸の直進運動に変換する変換手段を有するリニア駆動装置において、スラスト受け部の構成を工夫することにより、摺動抵抗を軽減して大きな推力が得られるようにし、また、スラスト受け部の周速を小さくして、耐摩耗性、耐久性に優れたリニア駆動装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、モータのロータの回転運動を駆動軸の直進運動に変換する変換手段を有するリニア駆動装置において、可動軸の前進時に可動軸にかかるスラスト方向の反力を受けるスラスト受け構造を有し、スラスト受け構造は、可動軸の前進時に可動軸にかかるスラスト方向の反力に基づくロータの回転摩擦の増加を抑制する、点接触によるスラスト受け構造であり、ロータは、中心に可動軸が挿入される円筒部を有し、この円筒部の内周側には小径部と大径部が形成され、上記小径部は上記円筒部の前端側に設けられ、この小径部の内周側に、上記可動軸の外周に形成されている雄リードスクリューと噛み合う雌リードスクリューが形成され、上記円筒部の大径部後端の内周側に低摩擦部材が嵌合され、この低摩擦部材がスラスト受け構造の一部を構成していることを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、スラスト受け構造は、ロータ後端の回転中心点を受ける構造であることを特徴とする。
【０００７】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、可動軸の前進によってロータをスラスト受け構造側に押圧する向きの負荷が、可動軸の後退によってロータをスラスト受け構造側から引き離す向きの負荷よりも大きいことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明にかかるリニア駆動装置の実施の形態について説明する。この実施形態は、例えば風呂の排水栓を開閉するためのリニア駆動装置の例であって、可動軸が前進することによって排水栓を解放し、可動軸が後退することによって排水栓を閉じるようにしたものである。
【００１１】
図１、図２において、符号１３は有底円筒状のケースを、４はケース１３の開口端に固定されたカバーを示している。ケース１３内には駆動源としてのモータが組み込まれている。モータは、ボビン１９、駆動コイル２０、ステータコア２１、モータケース１８などからなるステータと、ロータ１６、ロータマグネット１７などからなるロータとを有してなる。
【００１２】
上記ステータコア２１は内周側において複数の極歯を周方向に等間隔で円筒形をなすように有している。ステータコア２１は２個を一組として、それぞれの極歯が交互に周方向に並ぶように対向させて配置されている。これらの極歯の外周側に、駆動コイル２０が巻かれたボビン１９が嵌められている。上記２個一組のステータコア２１、ボビン１９、駆動コイル２０からなるステータ組が２組軸方向に重ねられて結合され、ステータが構成されている。このようにして構成されたステータは有底円筒状のモータケース１８に収納され固定されている。
【００１３】
上記ロータ１６は、モータの出力軸をなす中心円筒部２５と、この中心円筒部２５の軸方向の約半分に一体成形によって形成された大径円筒部２６を有している。大径円筒部２６の外周には円筒形のロータマグネット１７が嵌められて固着されている。ロータマグネット１７は周方向に等間隔に磁極を有している。ケース１３内には上記ステータの端面に対向させて地板２２が上記モータケース１８の開放端に固定されている。地板２２の中心孔にはラジアル軸受２３が嵌められ、ラジアル軸受２３によってロータ１６の上記中心円筒部２５が回転可能に支持されている。
【００１４】
ロータ１６の中心円筒部２５の内周側は、前端側の小径部２７ａと、それ以外の大径部２７ｂとからなる。したがって、大径部２７ｂは、中心円筒部２５の後端にまで至っている。上記ロータ１６の後端には、ロータ１６とは別の材料でありかつ低摩擦部材からなるキャップ１５が嵌められている。キャップ１５は球面を有し、この球面が、上記モータケース１８の内底部中心に配置されたスラスト受１４に当たり、ロータにかかるスラスト方向の荷重が受けられるようになっている。キャップ１５とスラスト受１４とで、スラスト受け構造を構成している。モータケース１８の内底部中心には、スラスト受１４およびロータ１６の中心円筒部２５の基端部を囲む円筒部が形成されている。
【００１５】
ロータ１６の中心円筒部２５には、先端部内周側、すなわち上記小径部２７ａに雌リードスクリューが形成され、また、上記中心円筒部２５には、軸方向中間部である上記ラジアル軸受２３の近傍においてピニオン２８が形成されている。上記中心円筒部２５には可動軸２４の後端部が挿入されている。可動軸２４の後端部外周には雄リードスクリューが形成されている。この雄リードスクリューは上記ロータ１６の雌リードスクリューと噛み合っている。可動軸２４の先端部は前記カバー４の先端面から突出している。可動軸２４には、その長さ方向中央部に、上記カバー４内において可動軸２４から半径方向に伸びる回転止め６が固着されている。カバー４内には可動軸２４と平行にガイド軸５が固定されている。ガイド軸５にはこのガイド軸５に沿ってスライド可能に上記回転止め６が嵌っている。
【００１６】
前記ステータとロータを有してなるモータはステッピングモータになっていて、駆動コイル２０にパルス状の電源が供給されることにより、ロータが所定の角度ずつ回転する。ロータを構成する前記中心円筒部２５が一方向に回転すると、中心円筒部２５の前記小径部２７ａに形成されている雌リードスクリューと可動軸２４の雄リードスクリューとの噛み合いにより、かつ、回転止め６によって可動軸２４の回転止めがなされていることにより、可動軸２４がガイド軸５にガイドされながら軸方向に直線移動する。上記中心円筒部２５が逆転すると、可動軸２４は逆向きに直線移動する。したがって、中心円筒部２５の雌リードスクリューと可動軸２４の雄リードスクリュー、回転止め６などによって、モータのロータの回転運動を可動軸２５の直進運動に変換する変換手段を構成している。
【００１７】
上記回転止め６には磁石片７が取り付けられている。回転止め６は可動軸２４と一体の部材であるから、磁石片７は可動軸２４に直接設けられているものということもできるし、可動軸２４に間接的に設けられているものということもできる。また、磁石片７は、次に説明する磁気センサとともに位置検出手段を構成している。
【００１８】
上記磁石片７の移動軌跡に対向させて、可動軸２４の直線移動限界を検出するための磁気センサ２，３が配置されている。磁気センサ２，３は上記磁石片７と対をなして位置検出手段を構成する。磁気センサ２は可動軸２４の前進限界を検出するものであり、磁気センサ３は可動軸２４の後退限界を検出するものである。磁気センサ２，３は回路基板８に配置され、この回路基板８はガイド部としての前記ガイド軸５が形成された部材、すなわちカバー４内に固定されている。より具体的には、回路基板８はカバー４内に形成された挿入溝などに挿入され、回路基板８の一端はカバー４の内底面に、他端は前記地板２２に当たってカバー４内に固定されている。
【００１９】
可動軸２４が前進し、センサ２が磁石片７を検出するとモータの駆動を停止して可動軸２４の前進を停止させ、モータの逆転によって可動軸２４が後退し、センサ３が磁石片７を検出するとモータの駆動を停止して可動軸２４の後退を停止させる。
位置検出手段としての磁気センサ２を第１検出手段、磁気センサ３を第２検出手段とすると、第１検出手段である磁気センサ２が上記位置検出手段である磁石片７に対向したときと非対向のときにおける上記磁気センサ２と第２検出手段である磁気センサ３との検出信号差により、可動軸２４の位置を検出することも可能である。磁気センサ３を第１検出手段、磁気センサ２を第２検出手段とし、双方の検出信号差により同様に可動軸２４の位置を検出するようにしてもよい。
【００２０】
上記可動軸２４の、前進限界から後退限界までの移動ストロークを長くするとともに、十分な力量を得るためには、モータの回転数を多くする必要がある。そのために図示の実施形態では、アメリカン・ワインディング・ストップ機構を設けた。図２、図３は、上記直線移動機構に組み込んだアメリカン・ワインディング・ストップ機構の例を示す。
【００２１】
図２、図３において、前記中心円筒部２５に形成されたピニオン２８の外周側には、このピニオン２８に噛み合う第１歯車２９と、この第１歯車２９に噛み合う第２歯車３１が配置されている。第１歯車２９と第２歯車３１はいずれも前記地板２２にそれぞれ軸３０、軸３２を中心に回転可能に保持されている。第１歯車２９と第２歯車３１は異なる歯数になるように形成されている。
【００２２】
図１、図２に示す実施形態は、風呂の排水栓を自動的に開閉させるためのリニア駆動装置の例で、可動軸２４の全ストロークは約１８ｍｍ、上記二つのセンサ２、３間のストロークは１５．２ｍｍの例である。モータの出力軸に形成されたピニオン２８の歯数は１６、第１歯車２９の歯数は２４、第２歯車３１の歯数は２５である。第１歯車２９には２枚の歯数分だけ厚さが厚くなった突起３３が一体に形成されている。これに対して第２歯車３１には、１箇所の歯溝に重なる形で突起３４が一体に形成されている。上記突起３３と突起３４は、歯車２９、３１の同じ面側から突出することによって、これらの突起３３、３４の先端が向き合おうとするとき互いに干渉するようになっている。突起３３、３４が互いに干渉しない範囲では、第１歯車２９、第２歯車３１双方は回転することができる。したがって、これら突起３３と突起３４は、第１歯車２９、第２歯車３１双方の複数回転を許容するとともに互いに干渉してロータの回転を阻止する阻止部を構成している。
【００２３】
上記のように、第１歯車２９の歯数は２４、第２歯車３１の歯数は２５で１歯違いになっている場合、図３（ａ）に示すように突起３３と突起３４が互いに干渉して回転が阻止された状態から、歯車が逆転し、図３（ｂ）に示すように突起３３と突起３４が逆方向から再び互いに干渉して回転が阻止された状態になるには、第１歯車２９が第２歯車３１の回転許容歯数分回転した後となる。そして、上記実施形態の場合、一方の回転阻止位置から他方の回転阻止位置までの可動軸２４のストロークＬは、第１歯車２９の回転数をＮ１、第１歯車２９の歯数をＺ１、ピニオン２８の回転数をＮｐ、ピニオン２８の歯数をＺｐとすると、次の計算によって求めることができる。
Ｎ１＝２５−１＝２４
（第１歯車２９の阻止部３３が１歯分であれば、第１歯車２９の回転数は２５であるが、図示の実施形態では阻止部３３が２歯分であるため、−１となる。）
Ｎｐ＝Ｎ１×Ｚ１／Ｚｐ＝２４×２４／１６＝３６
前記リードスクリュー２７のピッチを０．５ｍｍとすると、上記ストロークＬは、
Ｌ＝３６×０．５＝１８（ｍｍ）
となる。
【００２４】
実際には、突起３３と突起３４が互いに干渉する位置は二つの歯車２９、３１の中心軸線より約１．５歯分だけ手前になるので、厳密な計算ではＬ＝１７．９（ｍｍ）となる。
このように、歯数の異なる歯車を噛み合わせるとともに、双方の歯車の一部に、互いに干渉する阻止部を設けてなる機構をアメリカン・ワインディング・ストップ機構と称しており、前述のゼネバ機構などに比べて、一方向の回転限界から他方向の回転限界までの歯車の回転数を多くすることができる特徴がある。かかる特徴を有するアメリカン・ワインディング・ストップ機構を用いた図示の実施形態によれば、可動軸２４の直線移動ストロークを長くすることができるとともに、充分大きな力量を得ることができる。
【００２５】
以上説明した実施形態では、アメリカン・ワインディング・ストップ機構によって規制される可動軸２４のストロークよりも、二つの磁気センサ２、３で検出され規制される可動軸２４のストロークが若干小さくなっている。これは、通常、二つの磁気センサ２、３でストロークを規制するようにし、仮に、暴走などにより磁気センサ２、３による規制が働かなくなったとしても、アメリカン・ワインディング・ストップ機構により可動軸２４の直線移動を強制的に規制するためである。これによって、リニア駆動装置自体およびこのリニア駆動装置で駆動される装置を保護することができる。
【００２６】
なお、可動軸のストロークを規制するためのセンサを用いることなく、アメリカン・ワインディング・ストップ機構のみによって可動軸のストロークを規制するようにすることもできる。また、可動軸の一方の移動位置規制をセンサによる検出信号で行い、他方の移動位置規制をアメリカン・ワインディング・ストップ機構で行うようにしてもよい。
【００２７】
以上説明したリニア駆動装置は、既に説明したとおり、風呂の排水栓を自動的に開閉するために用いることができる。駆動軸２４が前進するときその推力が排水栓を押圧する力となって排水栓を解放し、駆動軸２４が後退するときその推力が排水栓を引っ張る力となって排水栓を閉じる。駆動軸２４が前進するとき、可動軸２４にかかるスラスト方向の反力に基づきロータ１６と実質一体の部材である前記キャップ１５がスラスト受け１４に強く当たる。スラスト受け構造が従来の構造であれば、ロータとスラスト受けとの間の摩擦抵抗が大きく、かつ、スラスト受けに接するロータ部分の周速が大きいため、スラスト受け部における機械的なロスが大きく、大きな推力を得ることに対する障害となっている。
【００２８】
その点、図示の実施形態によれば、ロータ１６と実質一体のキャップ１５が球面を有し、この球面がスラスト受け１４に点接触しているので、摩擦抵抗が小さく、かつ、上記球面とスラスト受け１４との接触点が、ロータ１６の後端の回転中心点になっており、この回転中心点がスラスト受け１４に接触しているため、この接触点の周速は理論的にはゼロであり、摺動抵抗も極小といってよい。さらに、キャップ１５は、ロータ１６とは別の部材からなっているため、摩擦抵抗の小さい材料を採用することができ、これによっても摺動抵抗を低減することができる。このように、図示の実施形態によれば、可動軸２４の前進時に可動軸２４にかかるスラスト方向の反力に基づくロータ１６の回転摩擦の増加を抑制することができるスラスト受け構造になっているため、スラスト受け部における機械的なロスを低減して大きな推力を得ることができる。
【００２９】
上記の風呂の排水栓は、これを閉じるときに要する推力は解放するときに要する推力よりも小さい。したがって、可動軸２４の前進によってロータ１６をスラスト受け構造側に押圧する向きの負荷が、可動軸２４の後退によってロータ１６をスラスト受け構造側から引き離す向きの負荷よりも大きい。図示の実施形態では、可動軸２４が後退するときのスラスト方向の反力に基づき、ラジアル軸受２３の軸方向端面にロータ１６の一部が当接しあうようになっている。この相互の当接関係は面接触であるとともに、ある程度の周速をもって摺接するため、ある程度大きな摺動摩擦抵抗を生じる。しかしながら、可動軸２４が後退してロータ１６をスラスト受け構造側から引き離す向きの負荷は小さいため、ある程度大きな摺動摩擦抵抗を生じても、排水栓などの被駆動体を駆動するのに、推力不足となることはない。
【００３０】
なお、図示の実施形態では、スラスト受け１４に当接するロータ１６側の部材として、キャップ１５が用いられているが、キャップ１５に代えて鋼球などを用いてもよい。また、球面に限らず、円錐形の部材、あるいはピボット状の部材の先端をスラスト受けに当接させるようにしてもよい。スラスト受け１４に当接する部材は、摩擦抵抗の小さい部材が望ましいが、必ずしもこれにこだわるものではない。例えばロータ１６の材質と同じ材質であっても差し支えない。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、リニア駆動装置において、スラスト受け構造を、可動軸の前進時に可動軸にかかるスラスト方向の反力に基づくロータの回転摩擦の増加を抑制する、点接触によるスラスト受け構造としたため、摩擦抵抗および摺動抵抗がきわめて小さく、推力の損失がごく少なく、その分推力の大きいリニア駆動装置を得ることができる。
【００３２】
請求項２記載の発明によれば、スラスト受け構造を、ロータ後端の回転中心点を受ける構造にしたため、摺動抵抗をより一層小さくすることができ、推力の損失がごく少なく、その分推力の大きいリニア駆動装置を得ることができる。摺動音も小さくなるため、作動時の騒音も小さくすることができる。
【００３３】
請求項３記載の発明によれば、所期の目的を達成することが可能なリニア駆動装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるリニア駆動装置の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】上記実施形態中のカバーを除去してアメリカン・ワインディング・ストップ機構の部分を示す正面図である。
【図３】上記アメリカン・ワインディング・ストップ機構の動作を示すもので、（ａ）は一方の回転限界を、（ｂ）は他方の回転限界を示す正面図である。
【符号の説明】
２  検出手段としての磁気センサ
３  検出手段としての磁気センサ
４  カバー
５  ガイド部としてのガイド軸
６  回転阻止手段
７  位置検出手段としての磁石片
８  回路基板
１４  スラスト受け
１５  低摩擦部材であるキャップ
１６  ロータ
２４  可動軸
【図１】
0004004753.tif 000002
【図２】
0004004753.tif 000003
【図３】
0004004753.tif 000004