リニアアクチュエータ
【課題】小型の変位センサを設置することにより、小型で、かつ、位置決めできるリニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】駆動モータ１により回転駆動するねじ部と、このねじ部に螺合されたナット部と、このナット部に取り付けられたスライダーとを備え、前記ねじ部の回転により前記ナット部とともに前記スライダーが直線的に移動するリニアアクチュエータにおいて、前記スライダーの両側面を拘束するガイド７と、このガイドの反スライダー側側壁に取り付けられた第１のアンテナ１５と、この第１のアンテナに対向する反スライダー側側壁に取り付けられた第２のアンテナ１６と、この第１と記第２のアンテナに挟持されるよう前記スライダーの両側壁に取り付けられた第３のアンテナ１７とを備え、前記第１と第２のスライダーに対して前記第３のアンテナの位置が変化したときの静電容量の変化により前記スライダーの位置情報を検出する。
【解決手段】駆動モータ１により回転駆動するねじ部と、このねじ部に螺合されたナット部と、このナット部に取り付けられたスライダーとを備え、前記ねじ部の回転により前記ナット部とともに前記スライダーが直線的に移動するリニアアクチュエータにおいて、前記スライダーの両側面を拘束するガイド７と、このガイドの反スライダー側側壁に取り付けられた第１のアンテナ１５と、この第１のアンテナに対向する反スライダー側側壁に取り付けられた第２のアンテナ１６と、この第１と記第２のアンテナに挟持されるよう前記スライダーの両側壁に取り付けられた第３のアンテナ１７とを備え、前記第１と第２のスライダーに対して前記第３のアンテナの位置が変化したときの静電容量の変化により前記スライダーの位置情報を検出する。
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転運動を直線運動に変換するリニアアクチュエータとして、例えば特開平１１−２６４４５１号公報に記載のものが知られている。このアクチュエータは、本体に取り付けられたモータの回転運動をモータにより回転駆動される送りねじ部と送りねじ部に螺合する送りナット部とからなる動力伝達機構によって直線運動に変換することで作動部材を送りねじ部の軸線方向に沿って直線的に移動させるものである。また、スライダーを高精度で位置決めできるリニアアクチュエータとして、特開２００２−５８２７１号公報に記載のものが知られている。
【０００３】
また、このアクチュエータは、スライダーの位置を検出する磁歪ポテンショ部を備え、スライダーの位置と指令位置との偏差をもとにそのスライダーの位置をフィードバック制御する位置制御部を備えるものである。
【特許文献１】特開平１１−２６４４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の従来技術では以下に示すような問題点がある。
特開平１１−２６４４５１号公報に記載のリニアアクチュエータでは、作動部材の位置を検出するセンサが設置されていないため、作動部材の位置決めを行うには別途作動部材の位置を検出するセンサを設置しなければならなかった。また、作動部材の位置決めを行うセンサを設置する場合には、装置全体が大きくなるという課題があった。
【０００５】
特開２００２−５８２７１号公報に記載のリニアアクチュエータでは、スライダーの位置決めを行うために、磁歪ポテンショ部を備えている。この磁歪ポテンショ部は磁歪スケールと磁歪ヘッドからなり、磁歪スケールは固定部材であるプラテンに設置され、磁歪ヘッドは可動部材であるスライダーに設置する必要があるためアクチュエータ自体が大型化してしまうとい問題があった。また、駆動モータとして高価なリニアパルスモータを使用しているため高価なものとなっていた。
【０００６】
本発明の目的は、小型で高精度な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】
【０００７】
上記目的は、駆動モータにより回転駆動するねじ部と、このねじ部に螺合されたナット部と、このナット部に取り付けられたスライダーとを備え、前記ねじ部の回転により前記ナット部とともに前記スライダーが直線的に移動するリニアアクチュエータにおいて、前記スライダーの両側面を拘束するガイドと、このガイドの反スライダー側側壁に取り付けられた第１のアンテナと、この第１のアンテナに対向する反スライダー側側壁に取り付けられた第２のアンテナと、この第１と記第２のアンテナに挟持されるよう前記スライダーの両側壁に取り付けられた第３のアンテナとを備え、前記第１と第２のスライダーに対して前記第３のアンテナの位置が変化したときの静電容量の変化により前記スライダーの位置情報を検出することにより達成される。
を特徴とするリニアアクチュエータ。
【０００８】
また、上記目的は、前記第２のアンテナは接地されたものであり、前記第１のアンテナに高周波数の交流電圧を印加する発振回路と、前記発振回路と前記第１アンテナの間に接続する抵抗器と、前記第１アンテナからの信号を処理する信号処理回路と、前記信号処理回路からの信号をもとに前記スライダーの位置を算出し、前記駆動モータの駆動を制御する制御部とを有することにより達成される。
【０００９】
また、上記目的は、前記第１アンテナと前記第３アンテナとから形成される第１のコンデンサと、前記第２アンテナと前記第３アンテナとから形成される第２のコンデンサと、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとから形成される第３のコンデンサの静電容量が前記スライダーの移動により変化し、前記第１のアンテナに印加されている前記発振回路からの交流電圧の変化を検出することにより前記ガイドに対する前記スライダーの位置を算出することにより達成される。
【００１０】
また、上記目的は、前記第３のアンテナは前記第１と第２のアンテナに連続して対向するよう１本の導電体を折り曲げて形成されていることにより達成される。
【００１１】
また、上記目的は、駆動モータにより回転駆動する回転バーと、この回転バーに螺合された螺旋ばねと、この螺旋ばねに取り付けられスライダーと、このスライダーと前記螺旋ばねを収納したガイドとを備え、前記回転バーの回転により前記螺旋ばねとともに前記スライダーが前記ガイド内で直線的に移動するものであって、前記ガイドの長手方向に配置した第１のアンテナと、この第１のアンテナに対向するように前記ガイドに配置されて接地された第２のアンテナと、前記第１と第２のアンテナに対向するように前記スライダーに取り付けられた第３のアンテナとを備え、前記第１のアンテナに高周波数の交流電圧を印加する発振回路と、この発振回路と前記第１のアンテナの間に接続する抵抗器と、前記第１のアンテナからの信号を処理する信号処理回路と、この信号処理回路からの信号をもとに前記スライダーの位置を算出し、前記駆動モータの駆動を制御する制御部とを有することにより達成される。
【００１２】
また、上記目的は、前記駆動モータが停止している場合には、前記ガイドに対する前記スライダーの位置の変化量を検出し、この位置の変化量と前記螺旋ばねのばね定数とから前記スライダーに作用する外力を算出することにより達成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、小型で高精度なリニアアクチュエータを提供リニアアクチュエータに小型の変位センサを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図１〜図１６により説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明のリニアアクチュエータは、送りねじを用いて駆動モータの回転運動を直線運動に変換し物品等を直線移動するものであり、外径寸法の小型化、低コスト化を実現できるものである。
図１は、本発明の実施形態であるリニアアクチュエータの構成を示す正面図であり、図２は本発明の実施形態であるリニアアクチュエータの構成を示す斜視図である。
図１、図２において、リニアアクチュエータは、可動部５（スライダー）の駆動源となる駆動モータ１を備えている。２は駆動モータ１を固定する駆動モータホルダである。３は駆動モータ１に接続され、駆動モータ１の駆動とともに回転する送りねじ部である。４は駆動モータ１と送りねじ部３を連結するジョイントである。６は物品等を移動させるために直線移動する可動部５と送りねじ部３に螺合されて回転運動を直線運動に変換する送りナット部である。７は可動部５の回転を防止して可動部５が直線上に動くように案内するガイドである。８は可動部５の移動量を測定する変位センサ（ただし、図１、図２には示されていないので図４の説明の欄で述べる）である。９は駆動モータホルダ２およびガイド７を設置するベースである。１０はリニアアクチュエータの駆動を制御する制御部（ただし、図１、図２には示されていないので図４の説明の欄で述べる）である。２５は第２のストッパである。この第２ストッパ２５は、ガイド７の駆動モータ１側の端部に設置されている。第２ストッパ２５には穴が開けられており、送りねじ部３が挿入されている。この穴の内径は、送りねじ部３の外径より若干大きくし、摩擦抵抗が生じないようにしている。第２ストッパ２５は、駆動モータ１の駆動とともに動く可動部５と送りナット部６の駆動モータ１側への移動を制限するものである。
【００１６】
駆動源である駆動モータ１は、例えばＤＣブラシモータである。駆動モータ１には、位置制御が容易なステッピングモータやＤＣブラシレスモータ等を用いても良いが、低コスト化を考慮すると安価なＤＣブラシモータが良い。また、リニアアクチュエータの推力を大きくするため、駆動モータ１は減速器付きのものであっても構わない。しかし、リニアアクチュエータの小型化を実現するため、減速器の外径は駆動モータ１の外径以下であることが望ましい。駆動モータホルダ２は、駆動モータ１をベース９に固定するための部材である。駆動モータホルダ２により、駆動モータ１の出力軸がベース９に平行になるように駆動モータ１を設置できる。送りねじ部３は、外周面のほぼ全域にねじ溝が形成されている。送りねじ部３は、駆動モータ１の出力軸にジョイント４を介して接続されており、駆動モータ１の出力軸の中心軸線と送りねじ部３の中心軸線とが同一線上に配置される。ジョイント４を介して駆動モータ１に接続された送りねじ部３は、駆動モータ１の出力軸と一体回転する。また、送りねじ部３の長さは、可動部５の可動範囲（ストローク）より長くしており、送りねじ部３の材料は、送りねじ部３がたわまないように、例えばステンレスのような硬質の金属からなる。送りねじ部３のねじ溝のピッチが小さいほど、リニアアクチュエータの推力は大きくなるが、可動部５の移動速度は遅くなる。
【００１７】
リニアアクチュエータの要求される仕様に応じて適度なピッチを選定する必要がある。ジョイント４は、例えばカップリングであるが、同様な効果が得られれば他のものであっても構わない。可動部５は、円筒ではない筒状の部材であり、少なくとも１箇所平らな面を有する。図２に示す可動部５では、後述する変位センサ８の第３アンテナ１７を設置するために２箇所の平らな面を有する。可動部５の長さは、リニアアクチュエータの可動長さ（ストローク）より長くしている。可動部５の材料は、表面が滑らかな金属や樹脂等で形成して構わないが、軽量化を図るためには樹脂等であることが望ましい。可動部５の内部には、長手方向に、断面が円形状の貫通穴を有する。この穴は送りねじ部３を収容するためのものであり、送りねじ部３の外径より若干大きな穴にしている。この可動部５に他の物品を接続することにより物品を移動することができる。なお、可動部５には、移動物品を取り付けるために図示していない取り付け穴を複数個設置していてもよい。
【００１８】
送りナット部６は、送りねじ部３とともに動力伝達機構を構成する筒状の部材であり、回転運動を直線運動に変換する役割を果たすものである。送りナット部６の有する貫通穴の内周面には、送りねじ部３と螺合可能なように等しいピッチのねじ溝が形成されている。送りナット部６は、可動部５の駆動モータ１側の端部に、可動部５の貫通穴の中心軸と送りナット部６の貫通穴の中心軸が一致するように固定されている。送りナット部６は、金属や樹脂等からなるが、軽量化のため樹脂等であることが望ましい。なお、可動部５と送りナット部６を一体で成型したものであってもよい。また、送りねじ部３の駆動モータ１と反対側の端部には、送りナット部６の抜け止め手段として第１のストッパ１１（図１、図２には記載されていないので図３で説明する）が設置されている。
【００１９】
図３は、第１のストッパ１１近傍の拡大図である。
図３において、この第１ストッパ１１の外径は、送りナット部６のねじ穴の外径より大きくしており、可動部５を突出させすぎて、送りナット部６が送りねじ部３から抜け落ちるのを防止している。ガイド７は、アクチュエータの長手方向に沿って延びるように形成されており、ベース９に固定されている。ガイド７は凹部を有し、断面形状はコの字状になっている。この凹部に可動部５を嵌め合わせるように配置することによって、駆動モータ１の回転に伴う可動部５の回転を阻止するとともに、可動部５が直線上に動くように案内する。なお、ガイド７と可動部５間の摩擦力を低減するためにガイド７の凹部の幅は、可動部５の幅より若干大きくしている。また、ガイド７は変位センサ８と設置するため絶縁体が良く、樹脂等で作られている。
【００２０】
上記では、ガイド７の形状を断面形状がコの字状の凹部を有する部材としたが、駆動モータ１の回転に伴う可動部５の回転を阻止し、かつ、可動部５が直線上に動くように案内する効果が得られれば、他の形状であっても良く、例えば可動部５の外周を囲むような筒状の部材であってもよい。変位センサ８は、可動部５およびガイド７に設置し、可動部５の移動量を測定する。なお、詳細は後述する。
【００２１】
次に本発明のリニアアクチュエータに変位センサ８を設置する理由を述べる。本リニアアクチュエータは、図示しない外部のセンサや入力手段等により、移動方向や移動量を取得し、可動部５の位置制御を行うものである。また、上述のように駆動モータ１は、低コスト化を実現するために、ＤＣブラシモータを用いることにしている。駆動モータ１に高価なステッピングモータやＤＣブラシレスモータ等を使用する場合には、変位センサ８を設置せずに位置制御が可能であるが、ＤＣブラシモータでは位置制御を行うことができない。これは、リニアアクチュエータの外部の負荷により、モータの回転数が変動するからである。したがって、本発明のリニアアクチュエータでは、可動部５の位置制御を行うために、変位センサ８を設置することにした。次に可動部５の移動量を検出する変位センサ８の概略を図４を用いて説明する。
【００２２】
図４は、リニアアクチュエータに設置する変位センサ８の構成を示した図である。
図４において、変位センサ８は、リニアアクチュエータ本体に設置した検出部１２と、検出部１２に信号を印加する入力信号部１３と、検出部１２からの出力信号を処理する信号処理部１４とからなる。検出部１２は、ガイド７の外側の面に設置した第１アンテナ１５と対向するもう一方のガイド７の外側面に設置した第２アンテナ１６と、第１アンテナ１５と第２アンテナ１６に向き合うように可動部５の外周に設置した第３アンテナ１７と、信号の直流成分を除去するコンデンサ１８とからなる。入力信号部１３は、第１アンテナ１５に高周波数の正弦波を印加する発振回路１９と、発振回路１９と第１アンテナ１５の間に接続する抵抗器２０とからなる。信号処理部１４は、所定の周波数以上の信号のみ通過させるハイパスフィルタ２１と、信号の絶対値化および整流を行う全波検出回路２２と、ゲイン調整およびオフセット調整を行う積分回路２３と、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２４とからなる。第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７は、それぞれのアンテナ面が平行になるように配置し、かつ、それぞれのアンテナが接触しないように絶縁体を挿入するようにしている。これにより、第１アンテナ１５と第３アンテナ１７及び第２アンテナ１６と第３アンテナ１７でコンデンサが形成される。
【００２３】
このようにアンテナによりコンデンサを形成するために、ガイド７は絶縁体としている。また、第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７の幅寸法は同一であり、幅方向（図４の奥行き方向）が常に一致するように設置している。第３アンテナ１７は、可動部５の送りナット部６を設置している面を除く外周の３つの面に設置する。このようにして、第３アンテナ１７の第１アンテナ１５側の面と第３アンテナ１７の第２アンテナ１６側の面を同電位にしている。これは、第１アンテナ１５と第２アンテナ１６の間の静電容量を大きくし、変位センサ８の検出感度を向上させるためである。第１アンテナ１５には、入力信号部１３と信号処理部１４がコンデンサ１８を介して接続されており、第２アンテナ１６は接地されている。
【００２４】
第３アンテナ１７は可動部５に設置しているので、可動部５の動きとともにリニアアクチュエータの長手方向に動くことになる。第３アンテナ１７に電線を接続する場合は、可動部５の移動により断線の恐れがあるので、第３アンテナ１７には配線等は行わず、電気的に浮いた状態にしている。第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７は、銅箔等の導体であるが、同様の効果が得られれば他のものであっても構わない。なお、リニアアクチュエータの小型化を考慮すると、これらのアンテナは、薄いシート状の導体が好ましい。また、これらのアンテナ導体の面積が大きいほど、静電容量が大きくなり変位センサ８の検出感度が良くなるので、可能な限り第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７の面積は大きい方が良い。変位センサ８のコンデンサ１８と抵抗器２０と発振回路１９とハイパスフィルタ２１と全波検出回路２２と積分回路２３とＡ／Ｄ変換器２４は、同一の回路基板上に設置されている。なお、第１アンテナ１５をコンデンサ１８から離れた場所に設置する場合には、外部ノイズの影響をなくすため第１アンテナ１５とコンデンサ１８をシールド線で接続することが望ましい。
【００２５】
以上のようにリニアアクチュエータには第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７の薄い導体のみ設置すれば良いので、リニアアクチュエータの小型化が実現できる。既知のポテンショメータ等の変位センサ８もあるがリニアアクチュエータの寸法が大きくなるので好ましくない。発振回路１９は、抵抗器２０とコンデンサ１８を介して第１アンテナ１５に接続されており、高周波数の正弦波を発生している。なお、コンデンサ１８は必ずしも必要とせず、取り除いても構わない。変位センサ８では、コンデンサ１８と抵抗器２０の間の電位を出力電圧として計測する。この出力電圧は信号処理部１４で処理され、制御部１０に送られる。低周波数のノイズを除去するために設置されているハイパスフィルタ２１は、入力側をコンデンサ１８に接続し、出力側を全波検出回路２２に接続する。変位センサ８は、発振回路１９の発振周波数近傍の信号を全波検出回路２２に送ればよいので、低周波数のノイズをハイパスフィルタ２１で除去するようにしている。
【００２６】
全波検出回路２２は、入力側をハイパスフィルタ２１に接続し、出力側を積分回路２３に接続する。ハイパスフィルタ２１からの信号は、プラスレンジおよびマイナスレンジに振動している正弦波である。Ａ／Ｄ変換器２４に信号を入力するために、全波検出回路２２においてマイナスレンジの信号をプラスレンジに絶対値変換する。また、全波検出回路２２８において信号の整流も行う。積分回路２３は、入力側を全波検出回路２２に接続し、出力側をＡ／Ｄ変換器２４に接続しており、全波検出回路２２からの信号のオフセット調整およびゲイン調整を行う。オフセット調整およびゲイン調整は、変位センサ８の出力の感度を調整するものであり、検出感度が大きくなるように設定する。
【００２７】
Ａ／Ｄ変換器２４は、入力側を積分回路２３に接続し、出力側はリニアアクチュエータの制御部１０に接続しており、積分回路２３からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。制御部１０は、Ａ／Ｄ変換器２４と駆動モータ１に接続しており、Ａ／Ｄ変換器２４からの信号をもとに移動量を算出する。また、図示しない外部のセンサや入力手段等からリニアアクチュエータの移動方向および移動量といった情報を取得できるようにしている。そして、移動方向や移動量、変位センサ８での検出結果をもとに駆動モータ１の回転方向やＯＮ／ＯＦＦを制御する。
【００２８】
次に変位センサ８の測定原理を説明する。変位センサ８の検出部１２では、第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７により、３つのコンデンサが形成される。すなわち、第１アンテナ１５と第３アンテナ１７とから形成されるコンデンサＣ１、第２アンテナ１６と第３アンテナ１７とから形成されるコンデンサＣ２、第１アンテナ１５と第２アンテナ１６とから形成されるコンデンサＣ３である。一般に静電容量Ｃ(F)は、以下の式（１）より求めることができる。
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ （１）
ここで、ε(F/m)は誘電率、Ｓ(m2)は対向するアンテナの面積、d(m)は対向するアンテナ間の距離である。式（１）からわかるように、対向するアンテナ間の距離dが一定であれば、静電容量Ｃは誘電率εおよび対向するアンテナの面積Ｓに比例する。第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７はそれぞれが平行する平面内に設置し、かつ、それぞれが長手方向において同一の幅を持っているので、例えばコンデンサＣ１では第１アンテナ１５と第３アンテナ１７が重なっている長さに静電容量は比例する。コンデンサＣ２、Ｃ３も同様である。可動部５の直線運動によりＣ１、Ｃ２、Ｃ３の静電容量が変化するので、抵抗器２０とコンデンサ１８間の出力電圧が変化する。この出力電圧を信号処理部１４で処理することにより、制御部１０において可動部５のガイド７に対する位置を算出することができる。なお、アンテナの長さが変位センサ８の測定範囲になるので、アンテナが長いほど測定範囲が大きい。したがって、ガイド７および可動部５の長手方向の全面にアンテナを設置することにしている。変位センサ８は、可動部５が最も駆動モータ１側に引き込んだ場合の出力電圧と可動部５が最も突出した場合の出力電圧の差が大きいほど、変位センサ８の検出感度が良くなるのでよい。
【００２９】
第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７で形成されるコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の静電容量は小さいので、これらのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３のインピーダンスが小さくなるように、発振回路１９の周波数は大きい方がよい。しかし、周波数が過度に大きいと出力電圧が小さくなるので、発振回路１９の周波数は適度に調整することが望ましい。なお、発振回路１９の周波数は、800kHz程度としている。以上のようにして、変位センサ８で可動部５の移動量を検出できる。ところで、検出部１２のリニアアクチュエータへの設置は、図４に示す以外のものであっても良く、例えば図５から図７に示すものであっても良い。
【００３０】
以下、図５から図７に示す検出部１２の設置方法を説明する。
図５は、第１アンテナ１５をガイド７の外側の面に設置し、第２アンテナ１６を可動部５の第１アンテナ１５を取り付けた側の面に設置するものである。
図５において、第１アンテナ１５にはコンデンサ１８を介して入力信号部１３および信号処理部１４を接続し、第２アンテナ１６は接地する。第２アンテナ１６は電線等を用いて接地してもよいし、ガイド７に設けた導体でできたブラシ等の接触部材（図示せず）により接地してもよい。第２アンテナ１６に電線を接続する場合は、電線の長さがリニアアクチュエータの動作に影響しない小さな動作範囲（ストローク）のリニアアクチュエータに適している。ブラシ等の接触部材により第２アンテナ１６を接地する場合は、駆動モータ１のトルクに余裕があり、可動部５とガイド７間の摩擦負荷の影響が小さいリニアアクチュエータに適している。図５に示す検出部１２の設置では、第１アンテナ１５と第２アンテナ１６でコンデンサＣ４が形成される。可動部５が移動することにより、第１アンテナ１５と第２アンテナ１６の重なっている部分の面積が変化するので、コンデンサＣ４の静電容量が変化する。これにより、可動部５の移動量を検出できる。なお、可動部５の第１アンテナ１５を取り付けた側の面に第２アンテナ１６を設置するのは、コンデンサＣ４の静電容量を大きくするためである。
【００３１】
図６は、第１アンテナ１５をガイド７の一方の外側の面に設置し、第２アンテナ１６をガイド７のもう一方の外側の面に設置するものである。なお、可動部５は絶縁体である。
図６において、第１アンテナ１５にはコンデンサ１８を介して入力信号部１３および信号処理部１４を接続し、第２アンテナ１６は接地する。図６に示す検出部１２の設置では、第１アンテナ１５と第２アンテナ１６の間に可動部５が挿入されているコンデンサＣ５と可動部５が挿入されていないコンデンサＣ６が形成される。可動部５が移動することにより、コンデンサＣ５とコンデンサＣ６の電極の面積が変化するので、コンデンサＣ５およびＣ６の静電容量が変化する。これにより、可動部５の移動量を検出できる。コンデンサＣ５およびＣ６の静電容量は、図４、図５に示したものより小さいので、可動部５が小さく第１アンテナ１５と第２アンテナ１６間の距離が小さいリニアアクチュエータに適している。
【００３２】
図７は、第１アンテナ１５をガイド７の一方の外側の面に設置し、第２アンテナ１６をガイド７のもう一方の外側の面に設置するものである。なお、可動部５は導体であり第３アンテナ１７でもある。
【００３３】
図７において、第１アンテナ１５にはコンデンサ１８を介して入力信号部１３および信号処理部１４を接続し、第２アンテナ１６は接地する。図７に示す検出部１２の設置では、図４に示す検出部１２の設置と同様に第１アンテナ１５と第３アンテナ１７とからコンデンサＣ７、第２アンテナ１６と第３アンテナ１７とからコンデンサＣ８、第１アンテナ１５と第２アンテナ１６とからコンデンサＣ９が形成される。可動部５の直線運動によりコンデンサＣ７、Ｃ８、Ｃ９の静電容量が変化するので可動部５の移動量を検出できる。この場合、可動部５が導体であるので重量が大きくなる。駆動モータ１のトルクに余裕があり、可動部５の軽量化が不必要なリニアアクチュエータに適している。
【００３４】
以上では変位センサ８のリニアアクチュエータへの設置について述べたが、変位センサ８は本リニアアクチュエータへの設置に限定されるものではなく、変位センサ８を他の機構や他の方式のアクチュエータに上記のように設置することにより、可動部材の移動量を検出できる。
【００３５】
本発明のリニアアクチュエータでは、送りねじを使用して駆動モータ１の回転運動を可動部５の直線運動に変換する方式を用いた。これは、複数のリニアアクチュエータを近接して設置できたり、狭い隙間にリニアアクチュエータを設置できたりするように、リニアアクチュエータの外径寸法の小型化を実現するためである。リニアアクチュエータの小型化を実現するためには、駆動モータ１の寸法を小さくする必要がある、しかし、駆動モータ１の寸法が小さくなるとトルクが小さくなるので、リニアアクチュエータの推力を確保するため、減速機構によりトルクを拡大する必要がある。これらを考慮して本発明のリニアアクチュエータでは、外径寸法を小さくでき、かつ、推力を確保できる送りねじ方式とした。
なお、リニアアクチュエータの小型化を図るためには、ベース９と駆動モータホルダ２を駆動モータ１の外径より大きくしないほうが望ましい。
【００３６】
次にリニアアクチュエータの動作を図８に示すフローチャートを用いて説明する。
【００３７】
図８において、まずステップ１０１においてはリニアアクチュエータの初期動作を行い、可動部５を初期位置に戻す。初期位置は、可動部５が駆動モータ１側に最も収納された状態とする。初期位置になるまで駆動モータ１を駆動し、可動部５を駆動モータ１側に移動させる。初期位置に達したかどうかは可動部５が第２ストッパ２５に当って止まった状態とする。また、図示しない光学式の検出センサを第２ストッパ２５近傍に設置し、可動部５が検出センサの光軸を斜光したか否かを検出することにより可動部５の初期位置を検出するものであってもよい。なお、初期位置は可動部５が最も突出した位置としても良い。そして、ステップ１０２において可動部５の移動量と移動方向を取得する。この移動量および移動方向は操作者が外部から入力してもよいし、図示しない外部のセンサ等から制御部１０で取得してもよい。次にステップ１０３において、ステップ１０２で取得した移動量、移動方向をもとに変位センサ８の目標電圧を算出する。変位センサ８の出力電圧は、図９に示すように可動部５の初期位置からの距離と比例関係にあり、現在位置ｘ０の出力電圧Ｖ０と移動量ｄと移動方向とから目標電圧Ｖ１を算出する。可動部５を突出させる場合には、目標電圧Ｖ１は以下の式（２）より求めることができる。
Ｖ１＝−ａ×ｄ＋Ｖ０ （２）
また、可動部５を引き込ませる場合には、目標電圧Ｖ１は以下の式（３）より求めることができる。
Ｖ１＝−ａ×(−ｄ)＋Ｖ０ （３）
目標電圧を式（２）、式（３）を用いて算出するのは、変位センサ８の出力電圧が周囲の環境により若干オフセットする場合があるからである。次にステップ１０４において、ステップ１０２で取得した移動方向より駆動モータ１の正転または逆転の回転方向を選択し、駆動モータ１をＯＮする。これにより、駆動モータ１の出力軸および送りねじ部３が一体となって回転駆動される。なお、駆動モータ１の回転方向により可動部５の移動方向を換えることができる。送りねじ部３が螺合されている送りナット部６は、上述のとおり可動部５に固定されており、可動部５はガイド７により回転しないようになっているので、送りナット部６も回転することはない。したがって、送りナット部６は可動部５とともに直線的に移動を開始する。次にステップ１０５において、可動部５の現在の位置が目標の位置に到達したか否かを判定する。これは、変位センサ８の現在の出力電圧とステップ１０３で算出した目標電圧Ｖ１とを比較することにより行う。変位センサ８の出力電圧が、可動部５の初期位置からの距離と図９に示すような関係がある場合、可動部５を突出方向に移動させるには、現在の出力電圧が目標電圧Ｖ１以下になったとき目標位置に到達したと判定する。また、可動部５を引き込み方向に移動させるには、現在の出力電圧が目標電圧Ｖ１以上になったとき目標位置に到達したと判定する。
【００３８】
ステップ１０５において変位センサ８の出力電圧が目標電圧Ｖ１に到達したと判定すると、ステップ１０６において駆動モータ１を停止する。ステップ１０５において変位センサ８の出力電圧が目標電圧Ｖ１に到達していないと判定すると、ステップ１０５において、変位センサ８の出力電圧が目標電圧Ｖ１に到達するまで駆動モータ１を駆動し続ける。このステップ１０５の判定を行う時間間隔が短いほど、リニアアクチュエータの移動量の精度が良い。以上のように本リニアアクチュエータは変位センサ８の情報を用いて駆動モータ１のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、可動部５の位置制御を行う。なお、送りねじ部３、可動部５、ガイド７の長さを変えることにより、リニアアクチュエータの可動範囲（ストローク）は変更できる。また、ステップ１０１で行われる可動部５の初期位置の検出は、以下に示す方法であってもよい。スッテプ１０７で終了する。
【００３９】
図１０に示すように駆動モータ１とは反対側の可動部５の端部に第３アンテナ１７ａを設置する。これは第３アンテナ１７を上下方向に伸ばしたものであり、可動部５が初期位置に到達した時に第３アンテナ１７ａが第１アンテナ１５および第２アンテナ１６に接触するようにしている。これにより、変位センサ８の出力電圧がゼロになる。変位センサ８の出力電圧がゼロになった時、可動部５が初期位置に到達したと判定する。この初期位置の検出方法では、ステップ１０３における目標電圧の算出方法を変更しなければならない。駆動モータ１を微小時間駆動後、式（２）または式（３）を用いて目標電圧Ｖ１を算出することとする。これは、上記のように初期位置では変位センサ８の出力電圧がゼロとなるからである。なお、駆動モータ１を微小時間駆動した際の可動部５の移動量を補正する必要がある。また、ステップ１０１において初期動作を行うことにしているが、繰り返しリニアアクチュエータを駆動する場合等で可動部５の現在位置がわかっている場合にはステップ１０１を省略してもよい。次に上記したリニアアクチュエータの第２の実施形態を説明する。
【実施例２】
【００４０】
図１１はリニアアクチュエータの第２の実施形態の構成を示す正面図である。
図１２はリニアアクチュエータの第２の実施形態の構成を示す斜視図である。
図１３は後述するガイド３０を図示しないリニアアクチュエータの第２の実施形態の構成を示す正面図である。
図１４は回転バーと螺旋ばね部の組み合わせ構造を説明する図である。
図１１、１２、１３、１４において、２６は可動部２８の駆動源である駆動モータである。２７は駆動モータ２６に接続され、駆動モータ２６の駆動とともに回転する回転バーである。２９は物品等を移動させるために直線移動する可動部２８と回転バー２７に螺合し、回転運動を直線運動に変換する螺旋ばね部である。３０は可動部２８が直線上に動くように案内するガイドである。８は可動部２８の移動量を測定する変位センサである。１０はリニアアクチュエータの駆動を制御する制御部である。なお、変位センサ８および制御部１０は、第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。
【００４１】
駆動モータ２６は、第１の実施形態と同様に例えばＤＣブラシモータである。駆動モータ２６には、位置制御が容易なステッピングモータやＤＣブラシレスモータ等を用いても良いが、低コスト化を考慮すると安価なＤＣブラシモータが良い。また、リニアアクチュエータの推力を大きくするため、駆動モータ２６は減速器付きのものであっても構わない。しかし、リニアアクチュエータの小型化を実現するため、減速器の外径は駆動モータ２６の外径以下であることが望ましい。回転バー２７は、端部にプロペラ状の羽根を設けた部材である。回転バー２７は、駆動モータ２６の出力軸に接続され、駆動モータ２６の出力軸の中心軸線と回転バー２７の中心軸線とが同一線上に配置される。駆動モータ２６に接続された回転バー２７は、駆動モータ２６の出力軸と一体回転する。
【００４２】
また、回転バー２７は、図１４に示すように螺旋状に巻かれた螺旋ばね部２９の隙間に嵌め込むように設置するので、螺旋ばね部２９との接触が滑らかになるように、中心軸に対して所定の角度傾けている。なお、回転バー２７の長手方向の長さは、可動部２８の可動範囲（ストローク）より長くしている。回転バー２７の材料は、回転バー２７がたわまないように、例えばステンレスのような硬質の金属からなる。可動部２８は、円筒ではない筒状の部材であり、少なくとも１箇所平らな面を有する。
【００４３】
図１１、図１２に示す可動部２８では、上記した変位センサ８の第３アンテナ１７を設置するために２箇所の平らな面を有する。可動部２８の長さは、リニアアクチュエータの可動範囲（ストローク）より長くしている。可動部２８の材料は、表面が滑らかな金属や樹脂等からなるが、軽量化を図るためには樹脂等であることが望ましい。この可動部５に他の物品を接続することにより物品を移動することができる。なお、可動部２８には、移動物品を取り付けるために図示していない取り付け穴を複数個設置していてもよい。螺旋ばね部２９は、回転バー２７とともに動力伝達機構を構成する部材であり、回転運動を直線運動に変換する役割を果たすものである。螺旋ばね部２９は、例えば圧縮ばねである。上述のように螺旋ばね部２９には、回転バー２７が填め込まれる。螺旋ばね部２９の端部には、固定部２８を接するように設置するが固定しない。
【００４４】
螺旋ばね部２９の巻数が多くピッチが小さいほど、リニアアクチュエータの推力は大きくなるが、可動部２８の移動速度は遅くなる。リニアアクチュエータの要求される仕様に応じて適度なピッチを選定する必要がある。ガイド３０は円筒状の部材であり、駆動モータ２６、回転バー２７、可動部２８、螺旋ばね部２９が直線上に並ぶようにしている。これにより、可動部２８、螺旋ばね部２９が直線上に動く。ガイド３０の内径は、駆動モータ２６の外径と一致し、ガイド３０の端部に駆動モータ２６が固定される。螺旋ばね部２９が駆動モータ２６の出力軸周りの回転を抑えるため、螺旋ばね部２９に適度な摩擦力が作用するように、ガイド３０の内径寸法および螺旋ばね部２９の外径寸法を調整している。
【００４５】
螺旋ばね部２９とガイド３０間の摩擦力が過小の場合には、回転バー２７の回転とともに、螺旋ばね部２９が回転してしまうので、螺旋ばね部２９をリニアアクチュエータの長手方向に直線移動することができない。この摩擦力が過大の場合には、螺旋ばね部２９が直線移動できない。また、回転バー２７がガイド３０に接触することなく回転するように、回転バー２７の羽根部の外径寸法はガイド３０の内径寸法より若干小さくしている。ガイド３０の駆動モータ２６を設置していない側の端部には、図１５に示すように回転止め部３１を有している。回転止め部３１は、可動部２８の平らな面に当接するように平らな面を有しており、駆動モータ２６の回転に伴う可動部２８の回転を阻止している。可動部２８が滑らかに動くように。可動部２８と回転止め部３１の間には若干の隙間を設けている。なお、ガイド３０は変位センサ８を設置するため絶縁体が良く、樹脂等で作られている。ガイド３０と回転止め部３１は一体で成型されていてもよい。可動部２８の駆動モータ２６側の端部には、第１ストッパ３２が設置されている。この第１ストッパ３２は円筒形状をしており、第１ストッパ３２の外径はガイド３０の内径より若干小さくしている。
【００４６】
第１ストッパ３２が回転止め部３１に当ることにより、可動部２８がガイド３０から抜け落ちるのを防止している。なお、可動部２８と第１ストッパ３２は、一体で成型されていてもよい。回転バー２７の駆動モータ２６側の端部には、第２ストッパ３３が設置されている。この第２ストッパ３３は円筒形状をしており、第２ストッパ３３の外径はガイド３０の内径より若干小さくしている。螺旋ばね部２９は駆動モータ２６の駆動とともに上下に動く。第２ストッパ３３は、螺旋ばね部２９の下方への移動を制限するものである。以上のように、第２の実施形態のリニアアクチュエータは、通常の送りねじとは異なり、回転バー２７と螺旋ばね部２９を用いた構造にした。回転バー２７、可動部２８、螺旋ばね部２９、ガイド３０の寸法を変更することにより、リニアアクチュエータの可動範囲（ストローク）を変更できる。
【００４７】
次に第２の実施形態のリニアアクチュエータへの変位センサ８の設置方法を図１５で説明する。
図１５において、第１アンテナ１５はガイド３０の外側の面に設置し、第２アンテナ１６は第１アンテナ１５に対向するようにガイド３０の外側面に設置する。第３アンテナ１７は、図１５に示すように可動部２８の外周の３つの面に設置する。ガイド３０の外周面には、変位センサ８の第１アンテナ１５および第２アンテナ１６を設置するために平らな面を有している。これらの面は回転止め部３１と平行な面であり、これにより可動部２８に設置した第３アンテナ１７と平行に設置することができる。第１アンテナ１５には、入力信号部１３と信号処理部１４がコンデンサ１８を介して接続されており、第２アンテナ１６は接地されている。第３アンテナ１７は可動部５に設置しているので、可動部２８の動きとともにリニアアクチュエータの長手方向に動くことになる。第２の実施形態のリニアアクチュエータは、まず駆動モータ２６の駆動により回転バー２７が回転する。そして、回転バー２７の回転により螺旋ばね部２９がリニアアクチュエータの長手方向に移動し、可動部２８を移動させる。なお、制御方法は、第１の実施形態と同じであるので、説明は省略する。
【００４８】
次に可動部２８の初期動作について説明する。
初期位置は、可動部２８が駆動モータ２６側に最も収納された状態とする。初期位置になるまで駆動モータ２６を駆動し、可動部２８を駆動モータ２６側に移動させる。初期位置に達したかどうかは螺旋ばね部２９が第２ストッパ３３に当って止まった状態とする。また、可動部２８の初期位置の検出は、以下に示す方法であってもよい。
【００４９】
図１６に示すように駆動モータ２６とは反対側の可動部２８の端部に第３アンテナ１７ａを設置する。これは第３アンテナ１７を左右方向に伸ばしたものであり、可動部２８が駆動モータ２６側に初期位置に到達した時に第１アンテナ１５および第２アンテナ１６に接触するようにしている。これにより、可動部２８が駆動モータ２６側に最も引っ込んだ時、第１アンテナ１５と第３アンテナ１７ａ、第２アンテナ１６と第３アンテナ１７ａが接触し、変位センサ８の出力電圧がゼロになる。変位センサ８の出力電圧がゼロになった時、可動部５が初期位置に到達したと判定する。この初期位置の検出方法では、第１の実施形態の場合と同様に目標電圧の算出方法を変更しなければならない。駆動モータ２６を微小時間駆動後、式（２）または式（３）を用いて目標電圧Ｖ１を算出することとする。これは、上記のように初期位置では変位センサ８の出力電圧がゼロとなるからである。なお、駆動モータ２６を微小時間駆動した際の可動部２８の移動量を補正する必要がある。上記では初期位置は、可動部２８が駆動モータ２６側に最も収納された状態としたが、可動部２８が最も突出した位置としても良い。また、第２の実施形態のリニアアクチュエータでは、螺旋ばね部２９と変位センサ８を用いて、可動部２８に作用する外力を測定することができる。
【００５０】
以下に、外力の測定方法を説明する。 駆動モータ２６が停止している時、可動部２８に外力が駆動モータ２６の方向に作用すると、螺旋ばね部２９の高さが小さくなる。あらかじめ、螺旋ばね２９のばね定数がわかっていれば、ばね長さの変位量を変位センサ８で計測すれば、外力を算出できる。
【００５１】
以上のようにして第２の実施形態のリニアアクチュエータでは、外力を検出できるセンサにもなる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態であるリニアアクチュエータの構成を示す正面図である。
【図２】本発明の実施形態であるリニアアクチュエータの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態であるリニアアクチュエータの第１ストッパ近傍を拡大した図である。
【図４】本発明の実施形態であるリニアアクチュエータの変位センサの構成を示した図である。
【図５】別なる検出部の構成を示した図である。
【図６】さらに別なる検出部の構成を示した図である。
【図７】さらに別なる検出部の構成を示した図である。
【図８】本発明の実施形態であるリニアアクチュエータの動作を説明するフローチャートである。
【図９】可動部の初期位置からの距離と変位センサの出力電圧の関係を示した図である。
【図１０】可動部の初期位置を別なる方法で検出するためのリニアアクチュエータの構成を示した図である。
【図１１】リニアアクチュエータの第２の実施形態の構成を示す正面図である。
【図１２】リニアアクチュエータの第２の実施形態の構成を示す斜視図である。
【図１３】ガイドを図示しないリニアアクチュエータの第２の実施形態の構成を示す正面図である。
【図１４】回転バーと螺旋ばね部の設置方法を説明する図である。
【図１５】第２の実施形態のリニアアクチュエータの変位センサの設置を説明する図である。
【図１６】可動部の初期位置を別なる方法で検出するための第２の実施形態のリニアアクチュエータの構成を示した図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…駆動モータ、２…駆動モータホルダ、３…送りねじ部、４…ジョイント、５…可動部、６…送りナット部、７…ガイド、８…変位センサ、９…ベース、１０…制御部、１１…第１ストッパ、１２…検出部、１３…入力信号部、１４…信号処理部、１５…第１アンテナ、１６…第２アンテナ、１７、１７ａ…第３アンテナ、１８…コンデンサ、１９…発振回路、２０…抵抗器、２１…ハイパスフィルタ、２２…全波検出回路、２３…積分回路、２４…Ａ／Ｄ変換器、２５…第２ストッパ、２６…駆動モータ、２７…回転バー、２８…可動部、２９…螺旋ばね部、３０…ガイド、３１…回転止め部、３２…第１ストッパ、３３…第２ストッパ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転運動を直線運動に変換するリニアアクチュエータとして、例えば特開平１１−２６４４５１号公報に記載のものが知られている。このアクチュエータは、本体に取り付けられたモータの回転運動をモータにより回転駆動される送りねじ部と送りねじ部に螺合する送りナット部とからなる動力伝達機構によって直線運動に変換することで作動部材を送りねじ部の軸線方向に沿って直線的に移動させるものである。また、スライダーを高精度で位置決めできるリニアアクチュエータとして、特開２００２−５８２７１号公報に記載のものが知られている。
【０００３】
また、このアクチュエータは、スライダーの位置を検出する磁歪ポテンショ部を備え、スライダーの位置と指令位置との偏差をもとにそのスライダーの位置をフィードバック制御する位置制御部を備えるものである。
【特許文献１】特開平１１−２６４４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の従来技術では以下に示すような問題点がある。
特開平１１−２６４４５１号公報に記載のリニアアクチュエータでは、作動部材の位置を検出するセンサが設置されていないため、作動部材の位置決めを行うには別途作動部材の位置を検出するセンサを設置しなければならなかった。また、作動部材の位置決めを行うセンサを設置する場合には、装置全体が大きくなるという課題があった。
【０００５】
特開２００２−５８２７１号公報に記載のリニアアクチュエータでは、スライダーの位置決めを行うために、磁歪ポテンショ部を備えている。この磁歪ポテンショ部は磁歪スケールと磁歪ヘッドからなり、磁歪スケールは固定部材であるプラテンに設置され、磁歪ヘッドは可動部材であるスライダーに設置する必要があるためアクチュエータ自体が大型化してしまうとい問題があった。また、駆動モータとして高価なリニアパルスモータを使用しているため高価なものとなっていた。
【０００６】
本発明の目的は、小型で高精度な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】
【０００７】
上記目的は、駆動モータにより回転駆動するねじ部と、このねじ部に螺合されたナット部と、このナット部に取り付けられたスライダーとを備え、前記ねじ部の回転により前記ナット部とともに前記スライダーが直線的に移動するリニアアクチュエータにおいて、前記スライダーの両側面を拘束するガイドと、このガイドの反スライダー側側壁に取り付けられた第１のアンテナと、この第１のアンテナに対向する反スライダー側側壁に取り付けられた第２のアンテナと、この第１と記第２のアンテナに挟持されるよう前記スライダーの両側壁に取り付けられた第３のアンテナとを備え、前記第１と第２のスライダーに対して前記第３のアンテナの位置が変化したときの静電容量の変化により前記スライダーの位置情報を検出することにより達成される。
を特徴とするリニアアクチュエータ。
【０００８】
また、上記目的は、前記第２のアンテナは接地されたものであり、前記第１のアンテナに高周波数の交流電圧を印加する発振回路と、前記発振回路と前記第１アンテナの間に接続する抵抗器と、前記第１アンテナからの信号を処理する信号処理回路と、前記信号処理回路からの信号をもとに前記スライダーの位置を算出し、前記駆動モータの駆動を制御する制御部とを有することにより達成される。
【０００９】
また、上記目的は、前記第１アンテナと前記第３アンテナとから形成される第１のコンデンサと、前記第２アンテナと前記第３アンテナとから形成される第２のコンデンサと、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとから形成される第３のコンデンサの静電容量が前記スライダーの移動により変化し、前記第１のアンテナに印加されている前記発振回路からの交流電圧の変化を検出することにより前記ガイドに対する前記スライダーの位置を算出することにより達成される。
【００１０】
また、上記目的は、前記第３のアンテナは前記第１と第２のアンテナに連続して対向するよう１本の導電体を折り曲げて形成されていることにより達成される。
【００１１】
また、上記目的は、駆動モータにより回転駆動する回転バーと、この回転バーに螺合された螺旋ばねと、この螺旋ばねに取り付けられスライダーと、このスライダーと前記螺旋ばねを収納したガイドとを備え、前記回転バーの回転により前記螺旋ばねとともに前記スライダーが前記ガイド内で直線的に移動するものであって、前記ガイドの長手方向に配置した第１のアンテナと、この第１のアンテナに対向するように前記ガイドに配置されて接地された第２のアンテナと、前記第１と第２のアンテナに対向するように前記スライダーに取り付けられた第３のアンテナとを備え、前記第１のアンテナに高周波数の交流電圧を印加する発振回路と、この発振回路と前記第１のアンテナの間に接続する抵抗器と、前記第１のアンテナからの信号を処理する信号処理回路と、この信号処理回路からの信号をもとに前記スライダーの位置を算出し、前記駆動モータの駆動を制御する制御部とを有することにより達成される。
【００１２】
また、上記目的は、前記駆動モータが停止している場合には、前記ガイドに対する前記スライダーの位置の変化量を検出し、この位置の変化量と前記螺旋ばねのばね定数とから前記スライダーに作用する外力を算出することにより達成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、小型で高精度なリニアアクチュエータを提供リニアアクチュエータに小型の変位センサを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図１〜図１６により説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明のリニアアクチュエータは、送りねじを用いて駆動モータの回転運動を直線運動に変換し物品等を直線移動するものであり、外径寸法の小型化、低コスト化を実現できるものである。
図１は、本発明の実施形態であるリニアアクチュエータの構成を示す正面図であり、図２は本発明の実施形態であるリニアアクチュエータの構成を示す斜視図である。
図１、図２において、リニアアクチュエータは、可動部５（スライダー）の駆動源となる駆動モータ１を備えている。２は駆動モータ１を固定する駆動モータホルダである。３は駆動モータ１に接続され、駆動モータ１の駆動とともに回転する送りねじ部である。４は駆動モータ１と送りねじ部３を連結するジョイントである。６は物品等を移動させるために直線移動する可動部５と送りねじ部３に螺合されて回転運動を直線運動に変換する送りナット部である。７は可動部５の回転を防止して可動部５が直線上に動くように案内するガイドである。８は可動部５の移動量を測定する変位センサ（ただし、図１、図２には示されていないので図４の説明の欄で述べる）である。９は駆動モータホルダ２およびガイド７を設置するベースである。１０はリニアアクチュエータの駆動を制御する制御部（ただし、図１、図２には示されていないので図４の説明の欄で述べる）である。２５は第２のストッパである。この第２ストッパ２５は、ガイド７の駆動モータ１側の端部に設置されている。第２ストッパ２５には穴が開けられており、送りねじ部３が挿入されている。この穴の内径は、送りねじ部３の外径より若干大きくし、摩擦抵抗が生じないようにしている。第２ストッパ２５は、駆動モータ１の駆動とともに動く可動部５と送りナット部６の駆動モータ１側への移動を制限するものである。
【００１６】
駆動源である駆動モータ１は、例えばＤＣブラシモータである。駆動モータ１には、位置制御が容易なステッピングモータやＤＣブラシレスモータ等を用いても良いが、低コスト化を考慮すると安価なＤＣブラシモータが良い。また、リニアアクチュエータの推力を大きくするため、駆動モータ１は減速器付きのものであっても構わない。しかし、リニアアクチュエータの小型化を実現するため、減速器の外径は駆動モータ１の外径以下であることが望ましい。駆動モータホルダ２は、駆動モータ１をベース９に固定するための部材である。駆動モータホルダ２により、駆動モータ１の出力軸がベース９に平行になるように駆動モータ１を設置できる。送りねじ部３は、外周面のほぼ全域にねじ溝が形成されている。送りねじ部３は、駆動モータ１の出力軸にジョイント４を介して接続されており、駆動モータ１の出力軸の中心軸線と送りねじ部３の中心軸線とが同一線上に配置される。ジョイント４を介して駆動モータ１に接続された送りねじ部３は、駆動モータ１の出力軸と一体回転する。また、送りねじ部３の長さは、可動部５の可動範囲（ストローク）より長くしており、送りねじ部３の材料は、送りねじ部３がたわまないように、例えばステンレスのような硬質の金属からなる。送りねじ部３のねじ溝のピッチが小さいほど、リニアアクチュエータの推力は大きくなるが、可動部５の移動速度は遅くなる。
【００１７】
リニアアクチュエータの要求される仕様に応じて適度なピッチを選定する必要がある。ジョイント４は、例えばカップリングであるが、同様な効果が得られれば他のものであっても構わない。可動部５は、円筒ではない筒状の部材であり、少なくとも１箇所平らな面を有する。図２に示す可動部５では、後述する変位センサ８の第３アンテナ１７を設置するために２箇所の平らな面を有する。可動部５の長さは、リニアアクチュエータの可動長さ（ストローク）より長くしている。可動部５の材料は、表面が滑らかな金属や樹脂等で形成して構わないが、軽量化を図るためには樹脂等であることが望ましい。可動部５の内部には、長手方向に、断面が円形状の貫通穴を有する。この穴は送りねじ部３を収容するためのものであり、送りねじ部３の外径より若干大きな穴にしている。この可動部５に他の物品を接続することにより物品を移動することができる。なお、可動部５には、移動物品を取り付けるために図示していない取り付け穴を複数個設置していてもよい。
【００１８】
送りナット部６は、送りねじ部３とともに動力伝達機構を構成する筒状の部材であり、回転運動を直線運動に変換する役割を果たすものである。送りナット部６の有する貫通穴の内周面には、送りねじ部３と螺合可能なように等しいピッチのねじ溝が形成されている。送りナット部６は、可動部５の駆動モータ１側の端部に、可動部５の貫通穴の中心軸と送りナット部６の貫通穴の中心軸が一致するように固定されている。送りナット部６は、金属や樹脂等からなるが、軽量化のため樹脂等であることが望ましい。なお、可動部５と送りナット部６を一体で成型したものであってもよい。また、送りねじ部３の駆動モータ１と反対側の端部には、送りナット部６の抜け止め手段として第１のストッパ１１（図１、図２には記載されていないので図３で説明する）が設置されている。
【００１９】
図３は、第１のストッパ１１近傍の拡大図である。
図３において、この第１ストッパ１１の外径は、送りナット部６のねじ穴の外径より大きくしており、可動部５を突出させすぎて、送りナット部６が送りねじ部３から抜け落ちるのを防止している。ガイド７は、アクチュエータの長手方向に沿って延びるように形成されており、ベース９に固定されている。ガイド７は凹部を有し、断面形状はコの字状になっている。この凹部に可動部５を嵌め合わせるように配置することによって、駆動モータ１の回転に伴う可動部５の回転を阻止するとともに、可動部５が直線上に動くように案内する。なお、ガイド７と可動部５間の摩擦力を低減するためにガイド７の凹部の幅は、可動部５の幅より若干大きくしている。また、ガイド７は変位センサ８と設置するため絶縁体が良く、樹脂等で作られている。
【００２０】
上記では、ガイド７の形状を断面形状がコの字状の凹部を有する部材としたが、駆動モータ１の回転に伴う可動部５の回転を阻止し、かつ、可動部５が直線上に動くように案内する効果が得られれば、他の形状であっても良く、例えば可動部５の外周を囲むような筒状の部材であってもよい。変位センサ８は、可動部５およびガイド７に設置し、可動部５の移動量を測定する。なお、詳細は後述する。
【００２１】
次に本発明のリニアアクチュエータに変位センサ８を設置する理由を述べる。本リニアアクチュエータは、図示しない外部のセンサや入力手段等により、移動方向や移動量を取得し、可動部５の位置制御を行うものである。また、上述のように駆動モータ１は、低コスト化を実現するために、ＤＣブラシモータを用いることにしている。駆動モータ１に高価なステッピングモータやＤＣブラシレスモータ等を使用する場合には、変位センサ８を設置せずに位置制御が可能であるが、ＤＣブラシモータでは位置制御を行うことができない。これは、リニアアクチュエータの外部の負荷により、モータの回転数が変動するからである。したがって、本発明のリニアアクチュエータでは、可動部５の位置制御を行うために、変位センサ８を設置することにした。次に可動部５の移動量を検出する変位センサ８の概略を図４を用いて説明する。
【００２２】
図４は、リニアアクチュエータに設置する変位センサ８の構成を示した図である。
図４において、変位センサ８は、リニアアクチュエータ本体に設置した検出部１２と、検出部１２に信号を印加する入力信号部１３と、検出部１２からの出力信号を処理する信号処理部１４とからなる。検出部１２は、ガイド７の外側の面に設置した第１アンテナ１５と対向するもう一方のガイド７の外側面に設置した第２アンテナ１６と、第１アンテナ１５と第２アンテナ１６に向き合うように可動部５の外周に設置した第３アンテナ１７と、信号の直流成分を除去するコンデンサ１８とからなる。入力信号部１３は、第１アンテナ１５に高周波数の正弦波を印加する発振回路１９と、発振回路１９と第１アンテナ１５の間に接続する抵抗器２０とからなる。信号処理部１４は、所定の周波数以上の信号のみ通過させるハイパスフィルタ２１と、信号の絶対値化および整流を行う全波検出回路２２と、ゲイン調整およびオフセット調整を行う積分回路２３と、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２４とからなる。第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７は、それぞれのアンテナ面が平行になるように配置し、かつ、それぞれのアンテナが接触しないように絶縁体を挿入するようにしている。これにより、第１アンテナ１５と第３アンテナ１７及び第２アンテナ１６と第３アンテナ１７でコンデンサが形成される。
【００２３】
このようにアンテナによりコンデンサを形成するために、ガイド７は絶縁体としている。また、第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７の幅寸法は同一であり、幅方向（図４の奥行き方向）が常に一致するように設置している。第３アンテナ１７は、可動部５の送りナット部６を設置している面を除く外周の３つの面に設置する。このようにして、第３アンテナ１７の第１アンテナ１５側の面と第３アンテナ１７の第２アンテナ１６側の面を同電位にしている。これは、第１アンテナ１５と第２アンテナ１６の間の静電容量を大きくし、変位センサ８の検出感度を向上させるためである。第１アンテナ１５には、入力信号部１３と信号処理部１４がコンデンサ１８を介して接続されており、第２アンテナ１６は接地されている。
【００２４】
第３アンテナ１７は可動部５に設置しているので、可動部５の動きとともにリニアアクチュエータの長手方向に動くことになる。第３アンテナ１７に電線を接続する場合は、可動部５の移動により断線の恐れがあるので、第３アンテナ１７には配線等は行わず、電気的に浮いた状態にしている。第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７は、銅箔等の導体であるが、同様の効果が得られれば他のものであっても構わない。なお、リニアアクチュエータの小型化を考慮すると、これらのアンテナは、薄いシート状の導体が好ましい。また、これらのアンテナ導体の面積が大きいほど、静電容量が大きくなり変位センサ８の検出感度が良くなるので、可能な限り第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７の面積は大きい方が良い。変位センサ８のコンデンサ１８と抵抗器２０と発振回路１９とハイパスフィルタ２１と全波検出回路２２と積分回路２３とＡ／Ｄ変換器２４は、同一の回路基板上に設置されている。なお、第１アンテナ１５をコンデンサ１８から離れた場所に設置する場合には、外部ノイズの影響をなくすため第１アンテナ１５とコンデンサ１８をシールド線で接続することが望ましい。
【００２５】
以上のようにリニアアクチュエータには第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７の薄い導体のみ設置すれば良いので、リニアアクチュエータの小型化が実現できる。既知のポテンショメータ等の変位センサ８もあるがリニアアクチュエータの寸法が大きくなるので好ましくない。発振回路１９は、抵抗器２０とコンデンサ１８を介して第１アンテナ１５に接続されており、高周波数の正弦波を発生している。なお、コンデンサ１８は必ずしも必要とせず、取り除いても構わない。変位センサ８では、コンデンサ１８と抵抗器２０の間の電位を出力電圧として計測する。この出力電圧は信号処理部１４で処理され、制御部１０に送られる。低周波数のノイズを除去するために設置されているハイパスフィルタ２１は、入力側をコンデンサ１８に接続し、出力側を全波検出回路２２に接続する。変位センサ８は、発振回路１９の発振周波数近傍の信号を全波検出回路２２に送ればよいので、低周波数のノイズをハイパスフィルタ２１で除去するようにしている。
【００２６】
全波検出回路２２は、入力側をハイパスフィルタ２１に接続し、出力側を積分回路２３に接続する。ハイパスフィルタ２１からの信号は、プラスレンジおよびマイナスレンジに振動している正弦波である。Ａ／Ｄ変換器２４に信号を入力するために、全波検出回路２２においてマイナスレンジの信号をプラスレンジに絶対値変換する。また、全波検出回路２２８において信号の整流も行う。積分回路２３は、入力側を全波検出回路２２に接続し、出力側をＡ／Ｄ変換器２４に接続しており、全波検出回路２２からの信号のオフセット調整およびゲイン調整を行う。オフセット調整およびゲイン調整は、変位センサ８の出力の感度を調整するものであり、検出感度が大きくなるように設定する。
【００２７】
Ａ／Ｄ変換器２４は、入力側を積分回路２３に接続し、出力側はリニアアクチュエータの制御部１０に接続しており、積分回路２３からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。制御部１０は、Ａ／Ｄ変換器２４と駆動モータ１に接続しており、Ａ／Ｄ変換器２４からの信号をもとに移動量を算出する。また、図示しない外部のセンサや入力手段等からリニアアクチュエータの移動方向および移動量といった情報を取得できるようにしている。そして、移動方向や移動量、変位センサ８での検出結果をもとに駆動モータ１の回転方向やＯＮ／ＯＦＦを制御する。
【００２８】
次に変位センサ８の測定原理を説明する。変位センサ８の検出部１２では、第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７により、３つのコンデンサが形成される。すなわち、第１アンテナ１５と第３アンテナ１７とから形成されるコンデンサＣ１、第２アンテナ１６と第３アンテナ１７とから形成されるコンデンサＣ２、第１アンテナ１５と第２アンテナ１６とから形成されるコンデンサＣ３である。一般に静電容量Ｃ(F)は、以下の式（１）より求めることができる。
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ （１）
ここで、ε(F/m)は誘電率、Ｓ(m2)は対向するアンテナの面積、d(m)は対向するアンテナ間の距離である。式（１）からわかるように、対向するアンテナ間の距離dが一定であれば、静電容量Ｃは誘電率εおよび対向するアンテナの面積Ｓに比例する。第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７はそれぞれが平行する平面内に設置し、かつ、それぞれが長手方向において同一の幅を持っているので、例えばコンデンサＣ１では第１アンテナ１５と第３アンテナ１７が重なっている長さに静電容量は比例する。コンデンサＣ２、Ｃ３も同様である。可動部５の直線運動によりＣ１、Ｃ２、Ｃ３の静電容量が変化するので、抵抗器２０とコンデンサ１８間の出力電圧が変化する。この出力電圧を信号処理部１４で処理することにより、制御部１０において可動部５のガイド７に対する位置を算出することができる。なお、アンテナの長さが変位センサ８の測定範囲になるので、アンテナが長いほど測定範囲が大きい。したがって、ガイド７および可動部５の長手方向の全面にアンテナを設置することにしている。変位センサ８は、可動部５が最も駆動モータ１側に引き込んだ場合の出力電圧と可動部５が最も突出した場合の出力電圧の差が大きいほど、変位センサ８の検出感度が良くなるのでよい。
【００２９】
第１アンテナ１５、第２アンテナ１６、第３アンテナ１７で形成されるコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の静電容量は小さいので、これらのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３のインピーダンスが小さくなるように、発振回路１９の周波数は大きい方がよい。しかし、周波数が過度に大きいと出力電圧が小さくなるので、発振回路１９の周波数は適度に調整することが望ましい。なお、発振回路１９の周波数は、800kHz程度としている。以上のようにして、変位センサ８で可動部５の移動量を検出できる。ところで、検出部１２のリニアアクチュエータへの設置は、図４に示す以外のものであっても良く、例えば図５から図７に示すものであっても良い。
【００３０】
以下、図５から図７に示す検出部１２の設置方法を説明する。
図５は、第１アンテナ１５をガイド７の外側の面に設置し、第２アンテナ１６を可動部５の第１アンテナ１５を取り付けた側の面に設置するものである。
図５において、第１アンテナ１５にはコンデンサ１８を介して入力信号部１３および信号処理部１４を接続し、第２アンテナ１６は接地する。第２アンテナ１６は電線等を用いて接地してもよいし、ガイド７に設けた導体でできたブラシ等の接触部材（図示せず）により接地してもよい。第２アンテナ１６に電線を接続する場合は、電線の長さがリニアアクチュエータの動作に影響しない小さな動作範囲（ストローク）のリニアアクチュエータに適している。ブラシ等の接触部材により第２アンテナ１６を接地する場合は、駆動モータ１のトルクに余裕があり、可動部５とガイド７間の摩擦負荷の影響が小さいリニアアクチュエータに適している。図５に示す検出部１２の設置では、第１アンテナ１５と第２アンテナ１６でコンデンサＣ４が形成される。可動部５が移動することにより、第１アンテナ１５と第２アンテナ１６の重なっている部分の面積が変化するので、コンデンサＣ４の静電容量が変化する。これにより、可動部５の移動量を検出できる。なお、可動部５の第１アンテナ１５を取り付けた側の面に第２アンテナ１６を設置するのは、コンデンサＣ４の静電容量を大きくするためである。
【００３１】
図６は、第１アンテナ１５をガイド７の一方の外側の面に設置し、第２アンテナ１６をガイド７のもう一方の外側の面に設置するものである。なお、可動部５は絶縁体である。
図６において、第１アンテナ１５にはコンデンサ１８を介して入力信号部１３および信号処理部１４を接続し、第２アンテナ１６は接地する。図６に示す検出部１２の設置では、第１アンテナ１５と第２アンテナ１６の間に可動部５が挿入されているコンデンサＣ５と可動部５が挿入されていないコンデンサＣ６が形成される。可動部５が移動することにより、コンデンサＣ５とコンデンサＣ６の電極の面積が変化するので、コンデンサＣ５およびＣ６の静電容量が変化する。これにより、可動部５の移動量を検出できる。コンデンサＣ５およびＣ６の静電容量は、図４、図５に示したものより小さいので、可動部５が小さく第１アンテナ１５と第２アンテナ１６間の距離が小さいリニアアクチュエータに適している。
【００３２】
図７は、第１アンテナ１５をガイド７の一方の外側の面に設置し、第２アンテナ１６をガイド７のもう一方の外側の面に設置するものである。なお、可動部５は導体であり第３アンテナ１７でもある。
【００３３】
図７において、第１アンテナ１５にはコンデンサ１８を介して入力信号部１３および信号処理部１４を接続し、第２アンテナ１６は接地する。図７に示す検出部１２の設置では、図４に示す検出部１２の設置と同様に第１アンテナ１５と第３アンテナ１７とからコンデンサＣ７、第２アンテナ１６と第３アンテナ１７とからコンデンサＣ８、第１アンテナ１５と第２アンテナ１６とからコンデンサＣ９が形成される。可動部５の直線運動によりコンデンサＣ７、Ｃ８、Ｃ９の静電容量が変化するので可動部５の移動量を検出できる。この場合、可動部５が導体であるので重量が大きくなる。駆動モータ１のトルクに余裕があり、可動部５の軽量化が不必要なリニアアクチュエータに適している。
【００３４】
以上では変位センサ８のリニアアクチュエータへの設置について述べたが、変位センサ８は本リニアアクチュエータへの設置に限定されるものではなく、変位センサ８を他の機構や他の方式のアクチュエータに上記のように設置することにより、可動部材の移動量を検出できる。
【００３５】
本発明のリニアアクチュエータでは、送りねじを使用して駆動モータ１の回転運動を可動部５の直線運動に変換する方式を用いた。これは、複数のリニアアクチュエータを近接して設置できたり、狭い隙間にリニアアクチュエータを設置できたりするように、リニアアクチュエータの外径寸法の小型化を実現するためである。リニアアクチュエータの小型化を実現するためには、駆動モータ１の寸法を小さくする必要がある、しかし、駆動モータ１の寸法が小さくなるとトルクが小さくなるので、リニアアクチュエータの推力を確保するため、減速機構によりトルクを拡大する必要がある。これらを考慮して本発明のリニアアクチュエータでは、外径寸法を小さくでき、かつ、推力を確保できる送りねじ方式とした。
なお、リニアアクチュエータの小型化を図るためには、ベース９と駆動モータホルダ２を駆動モータ１の外径より大きくしないほうが望ましい。
【００３６】
次にリニアアクチュエータの動作を図８に示すフローチャートを用いて説明する。
【００３７】
図８において、まずステップ１０１においてはリニアアクチュエータの初期動作を行い、可動部５を初期位置に戻す。初期位置は、可動部５が駆動モータ１側に最も収納された状態とする。初期位置になるまで駆動モータ１を駆動し、可動部５を駆動モータ１側に移動させる。初期位置に達したかどうかは可動部５が第２ストッパ２５に当って止まった状態とする。また、図示しない光学式の検出センサを第２ストッパ２５近傍に設置し、可動部５が検出センサの光軸を斜光したか否かを検出することにより可動部５の初期位置を検出するものであってもよい。なお、初期位置は可動部５が最も突出した位置としても良い。そして、ステップ１０２において可動部５の移動量と移動方向を取得する。この移動量および移動方向は操作者が外部から入力してもよいし、図示しない外部のセンサ等から制御部１０で取得してもよい。次にステップ１０３において、ステップ１０２で取得した移動量、移動方向をもとに変位センサ８の目標電圧を算出する。変位センサ８の出力電圧は、図９に示すように可動部５の初期位置からの距離と比例関係にあり、現在位置ｘ０の出力電圧Ｖ０と移動量ｄと移動方向とから目標電圧Ｖ１を算出する。可動部５を突出させる場合には、目標電圧Ｖ１は以下の式（２）より求めることができる。
Ｖ１＝−ａ×ｄ＋Ｖ０ （２）
また、可動部５を引き込ませる場合には、目標電圧Ｖ１は以下の式（３）より求めることができる。
Ｖ１＝−ａ×(−ｄ)＋Ｖ０ （３）
目標電圧を式（２）、式（３）を用いて算出するのは、変位センサ８の出力電圧が周囲の環境により若干オフセットする場合があるからである。次にステップ１０４において、ステップ１０２で取得した移動方向より駆動モータ１の正転または逆転の回転方向を選択し、駆動モータ１をＯＮする。これにより、駆動モータ１の出力軸および送りねじ部３が一体となって回転駆動される。なお、駆動モータ１の回転方向により可動部５の移動方向を換えることができる。送りねじ部３が螺合されている送りナット部６は、上述のとおり可動部５に固定されており、可動部５はガイド７により回転しないようになっているので、送りナット部６も回転することはない。したがって、送りナット部６は可動部５とともに直線的に移動を開始する。次にステップ１０５において、可動部５の現在の位置が目標の位置に到達したか否かを判定する。これは、変位センサ８の現在の出力電圧とステップ１０３で算出した目標電圧Ｖ１とを比較することにより行う。変位センサ８の出力電圧が、可動部５の初期位置からの距離と図９に示すような関係がある場合、可動部５を突出方向に移動させるには、現在の出力電圧が目標電圧Ｖ１以下になったとき目標位置に到達したと判定する。また、可動部５を引き込み方向に移動させるには、現在の出力電圧が目標電圧Ｖ１以上になったとき目標位置に到達したと判定する。
【００３８】
ステップ１０５において変位センサ８の出力電圧が目標電圧Ｖ１に到達したと判定すると、ステップ１０６において駆動モータ１を停止する。ステップ１０５において変位センサ８の出力電圧が目標電圧Ｖ１に到達していないと判定すると、ステップ１０５において、変位センサ８の出力電圧が目標電圧Ｖ１に到達するまで駆動モータ１を駆動し続ける。このステップ１０５の判定を行う時間間隔が短いほど、リニアアクチュエータの移動量の精度が良い。以上のように本リニアアクチュエータは変位センサ８の情報を用いて駆動モータ１のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、可動部５の位置制御を行う。なお、送りねじ部３、可動部５、ガイド７の長さを変えることにより、リニアアクチュエータの可動範囲（ストローク）は変更できる。また、ステップ１０１で行われる可動部５の初期位置の検出は、以下に示す方法であってもよい。スッテプ１０７で終了する。
【００３９】
図１０に示すように駆動モータ１とは反対側の可動部５の端部に第３アンテナ１７ａを設置する。これは第３アンテナ１７を上下方向に伸ばしたものであり、可動部５が初期位置に到達した時に第３アンテナ１７ａが第１アンテナ１５および第２アンテナ１６に接触するようにしている。これにより、変位センサ８の出力電圧がゼロになる。変位センサ８の出力電圧がゼロになった時、可動部５が初期位置に到達したと判定する。この初期位置の検出方法では、ステップ１０３における目標電圧の算出方法を変更しなければならない。駆動モータ１を微小時間駆動後、式（２）または式（３）を用いて目標電圧Ｖ１を算出することとする。これは、上記のように初期位置では変位センサ８の出力電圧がゼロとなるからである。なお、駆動モータ１を微小時間駆動した際の可動部５の移動量を補正する必要がある。また、ステップ１０１において初期動作を行うことにしているが、繰り返しリニアアクチュエータを駆動する場合等で可動部５の現在位置がわかっている場合にはステップ１０１を省略してもよい。次に上記したリニアアクチュエータの第２の実施形態を説明する。
【実施例２】
【００４０】
図１１はリニアアクチュエータの第２の実施形態の構成を示す正面図である。
図１２はリニアアクチュエータの第２の実施形態の構成を示す斜視図である。
図１３は後述するガイド３０を図示しないリニアアクチュエータの第２の実施形態の構成を示す正面図である。
図１４は回転バーと螺旋ばね部の組み合わせ構造を説明する図である。
図１１、１２、１３、１４において、２６は可動部２８の駆動源である駆動モータである。２７は駆動モータ２６に接続され、駆動モータ２６の駆動とともに回転する回転バーである。２９は物品等を移動させるために直線移動する可動部２８と回転バー２７に螺合し、回転運動を直線運動に変換する螺旋ばね部である。３０は可動部２８が直線上に動くように案内するガイドである。８は可動部２８の移動量を測定する変位センサである。１０はリニアアクチュエータの駆動を制御する制御部である。なお、変位センサ８および制御部１０は、第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。
【００４１】
駆動モータ２６は、第１の実施形態と同様に例えばＤＣブラシモータである。駆動モータ２６には、位置制御が容易なステッピングモータやＤＣブラシレスモータ等を用いても良いが、低コスト化を考慮すると安価なＤＣブラシモータが良い。また、リニアアクチュエータの推力を大きくするため、駆動モータ２６は減速器付きのものであっても構わない。しかし、リニアアクチュエータの小型化を実現するため、減速器の外径は駆動モータ２６の外径以下であることが望ましい。回転バー２７は、端部にプロペラ状の羽根を設けた部材である。回転バー２７は、駆動モータ２６の出力軸に接続され、駆動モータ２６の出力軸の中心軸線と回転バー２７の中心軸線とが同一線上に配置される。駆動モータ２６に接続された回転バー２７は、駆動モータ２６の出力軸と一体回転する。
【００４２】
また、回転バー２７は、図１４に示すように螺旋状に巻かれた螺旋ばね部２９の隙間に嵌め込むように設置するので、螺旋ばね部２９との接触が滑らかになるように、中心軸に対して所定の角度傾けている。なお、回転バー２７の長手方向の長さは、可動部２８の可動範囲（ストローク）より長くしている。回転バー２７の材料は、回転バー２７がたわまないように、例えばステンレスのような硬質の金属からなる。可動部２８は、円筒ではない筒状の部材であり、少なくとも１箇所平らな面を有する。
【００４３】
図１１、図１２に示す可動部２８では、上記した変位センサ８の第３アンテナ１７を設置するために２箇所の平らな面を有する。可動部２８の長さは、リニアアクチュエータの可動範囲（ストローク）より長くしている。可動部２８の材料は、表面が滑らかな金属や樹脂等からなるが、軽量化を図るためには樹脂等であることが望ましい。この可動部５に他の物品を接続することにより物品を移動することができる。なお、可動部２８には、移動物品を取り付けるために図示していない取り付け穴を複数個設置していてもよい。螺旋ばね部２９は、回転バー２７とともに動力伝達機構を構成する部材であり、回転運動を直線運動に変換する役割を果たすものである。螺旋ばね部２９は、例えば圧縮ばねである。上述のように螺旋ばね部２９には、回転バー２７が填め込まれる。螺旋ばね部２９の端部には、固定部２８を接するように設置するが固定しない。
【００４４】
螺旋ばね部２９の巻数が多くピッチが小さいほど、リニアアクチュエータの推力は大きくなるが、可動部２８の移動速度は遅くなる。リニアアクチュエータの要求される仕様に応じて適度なピッチを選定する必要がある。ガイド３０は円筒状の部材であり、駆動モータ２６、回転バー２７、可動部２８、螺旋ばね部２９が直線上に並ぶようにしている。これにより、可動部２８、螺旋ばね部２９が直線上に動く。ガイド３０の内径は、駆動モータ２６の外径と一致し、ガイド３０の端部に駆動モータ２６が固定される。螺旋ばね部２９が駆動モータ２６の出力軸周りの回転を抑えるため、螺旋ばね部２９に適度な摩擦力が作用するように、ガイド３０の内径寸法および螺旋ばね部２９の外径寸法を調整している。
【００４５】
螺旋ばね部２９とガイド３０間の摩擦力が過小の場合には、回転バー２７の回転とともに、螺旋ばね部２９が回転してしまうので、螺旋ばね部２９をリニアアクチュエータの長手方向に直線移動することができない。この摩擦力が過大の場合には、螺旋ばね部２９が直線移動できない。また、回転バー２７がガイド３０に接触することなく回転するように、回転バー２７の羽根部の外径寸法はガイド３０の内径寸法より若干小さくしている。ガイド３０の駆動モータ２６を設置していない側の端部には、図１５に示すように回転止め部３１を有している。回転止め部３１は、可動部２８の平らな面に当接するように平らな面を有しており、駆動モータ２６の回転に伴う可動部２８の回転を阻止している。可動部２８が滑らかに動くように。可動部２８と回転止め部３１の間には若干の隙間を設けている。なお、ガイド３０は変位センサ８を設置するため絶縁体が良く、樹脂等で作られている。ガイド３０と回転止め部３１は一体で成型されていてもよい。可動部２８の駆動モータ２６側の端部には、第１ストッパ３２が設置されている。この第１ストッパ３２は円筒形状をしており、第１ストッパ３２の外径はガイド３０の内径より若干小さくしている。
【００４６】
第１ストッパ３２が回転止め部３１に当ることにより、可動部２８がガイド３０から抜け落ちるのを防止している。なお、可動部２８と第１ストッパ３２は、一体で成型されていてもよい。回転バー２７の駆動モータ２６側の端部には、第２ストッパ３３が設置されている。この第２ストッパ３３は円筒形状をしており、第２ストッパ３３の外径はガイド３０の内径より若干小さくしている。螺旋ばね部２９は駆動モータ２６の駆動とともに上下に動く。第２ストッパ３３は、螺旋ばね部２９の下方への移動を制限するものである。以上のように、第２の実施形態のリニアアクチュエータは、通常の送りねじとは異なり、回転バー２７と螺旋ばね部２９を用いた構造にした。回転バー２７、可動部２８、螺旋ばね部２９、ガイド３０の寸法を変更することにより、リニアアクチュエータの可動範囲（ストローク）を変更できる。
【００４７】
次に第２の実施形態のリニアアクチュエータへの変位センサ８の設置方法を図１５で説明する。
図１５において、第１アンテナ１５はガイド３０の外側の面に設置し、第２アンテナ１６は第１アンテナ１５に対向するようにガイド３０の外側面に設置する。第３アンテナ１７は、図１５に示すように可動部２８の外周の３つの面に設置する。ガイド３０の外周面には、変位センサ８の第１アンテナ１５および第２アンテナ１６を設置するために平らな面を有している。これらの面は回転止め部３１と平行な面であり、これにより可動部２８に設置した第３アンテナ１７と平行に設置することができる。第１アンテナ１５には、入力信号部１３と信号処理部１４がコンデンサ１８を介して接続されており、第２アンテナ１６は接地されている。第３アンテナ１７は可動部５に設置しているので、可動部２８の動きとともにリニアアクチュエータの長手方向に動くことになる。第２の実施形態のリニアアクチュエータは、まず駆動モータ２６の駆動により回転バー２７が回転する。そして、回転バー２７の回転により螺旋ばね部２９がリニアアクチュエータの長手方向に移動し、可動部２８を移動させる。なお、制御方法は、第１の実施形態と同じであるので、説明は省略する。
【００４８】
次に可動部２８の初期動作について説明する。
初期位置は、可動部２８が駆動モータ２６側に最も収納された状態とする。初期位置になるまで駆動モータ２６を駆動し、可動部２８を駆動モータ２６側に移動させる。初期位置に達したかどうかは螺旋ばね部２９が第２ストッパ３３に当って止まった状態とする。また、可動部２８の初期位置の検出は、以下に示す方法であってもよい。
【００４９】
図１６に示すように駆動モータ２６とは反対側の可動部２８の端部に第３アンテナ１７ａを設置する。これは第３アンテナ１７を左右方向に伸ばしたものであり、可動部２８が駆動モータ２６側に初期位置に到達した時に第１アンテナ１５および第２アンテナ１６に接触するようにしている。これにより、可動部２８が駆動モータ２６側に最も引っ込んだ時、第１アンテナ１５と第３アンテナ１７ａ、第２アンテナ１６と第３アンテナ１７ａが接触し、変位センサ８の出力電圧がゼロになる。変位センサ８の出力電圧がゼロになった時、可動部５が初期位置に到達したと判定する。この初期位置の検出方法では、第１の実施形態の場合と同様に目標電圧の算出方法を変更しなければならない。駆動モータ２６を微小時間駆動後、式（２）または式（３）を用いて目標電圧Ｖ１を算出することとする。これは、上記のように初期位置では変位センサ８の出力電圧がゼロとなるからである。なお、駆動モータ２６を微小時間駆動した際の可動部２８の移動量を補正する必要がある。上記では初期位置は、可動部２８が駆動モータ２６側に最も収納された状態としたが、可動部２８が最も突出した位置としても良い。また、第２の実施形態のリニアアクチュエータでは、螺旋ばね部２９と変位センサ８を用いて、可動部２８に作用する外力を測定することができる。
【００５０】
以下に、外力の測定方法を説明する。 駆動モータ２６が停止している時、可動部２８に外力が駆動モータ２６の方向に作用すると、螺旋ばね部２９の高さが小さくなる。あらかじめ、螺旋ばね２９のばね定数がわかっていれば、ばね長さの変位量を変位センサ８で計測すれば、外力を算出できる。
【００５１】
以上のようにして第２の実施形態のリニアアクチュエータでは、外力を検出できるセンサにもなる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態であるリニアアクチュエータの構成を示す正面図である。
【図２】本発明の実施形態であるリニアアクチュエータの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態であるリニアアクチュエータの第１ストッパ近傍を拡大した図である。
【図４】本発明の実施形態であるリニアアクチュエータの変位センサの構成を示した図である。
【図５】別なる検出部の構成を示した図である。
【図６】さらに別なる検出部の構成を示した図である。
【図７】さらに別なる検出部の構成を示した図である。
【図８】本発明の実施形態であるリニアアクチュエータの動作を説明するフローチャートである。
【図９】可動部の初期位置からの距離と変位センサの出力電圧の関係を示した図である。
【図１０】可動部の初期位置を別なる方法で検出するためのリニアアクチュエータの構成を示した図である。
【図１１】リニアアクチュエータの第２の実施形態の構成を示す正面図である。
【図１２】リニアアクチュエータの第２の実施形態の構成を示す斜視図である。
【図１３】ガイドを図示しないリニアアクチュエータの第２の実施形態の構成を示す正面図である。
【図１４】回転バーと螺旋ばね部の設置方法を説明する図である。
【図１５】第２の実施形態のリニアアクチュエータの変位センサの設置を説明する図である。
【図１６】可動部の初期位置を別なる方法で検出するための第２の実施形態のリニアアクチュエータの構成を示した図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…駆動モータ、２…駆動モータホルダ、３…送りねじ部、４…ジョイント、５…可動部、６…送りナット部、７…ガイド、８…変位センサ、９…ベース、１０…制御部、１１…第１ストッパ、１２…検出部、１３…入力信号部、１４…信号処理部、１５…第１アンテナ、１６…第２アンテナ、１７、１７ａ…第３アンテナ、１８…コンデンサ、１９…発振回路、２０…抵抗器、２１…ハイパスフィルタ、２２…全波検出回路、２３…積分回路、２４…Ａ／Ｄ変換器、２５…第２ストッパ、２６…駆動モータ、２７…回転バー、２８…可動部、２９…螺旋ばね部、３０…ガイド、３１…回転止め部、３２…第１ストッパ、３３…第２ストッパ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動モータにより回転駆動するねじ部と、このねじ部に螺合されたナット部と、このナット部に取り付けられたスライダーとを備え、前記ねじ部の回転により前記ナット部とともに前記スライダーが直線的に移動するリニアアクチュエータにおいて、
前記スライダーの両側面を拘束するガイドと、このガイドの反スライダー側側壁に取り付けられた第１のアンテナと、この第１のアンテナに対向する反スライダー側側壁に取り付けられた第２のアンテナと、この第１と記第２のアンテナに挟持されるよう前記スライダーの両側壁に取り付けられた第３のアンテナとを備え、
前記第１と第２のスライダーに対して前記第３のアンテナの位置が変化したときの静電容量の変化により前記スライダーの位置情報を検出することを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記第２のアンテナは接地されたものであり、前記第１のアンテナに高周波数の交流電圧を印加する発振回路と、前記発振回路と前記第１アンテナの間に接続する抵抗器と、前記第１アンテナからの信号を処理する信号処理回路と、前記信号処理回路からの信号をもとに前記スライダーの位置を算出し、前記駆動モータの駆動を制御する制御部とを有することを特徴としたリニアアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記第１アンテナと前記第３アンテナとから形成される第１のコンデンサと、前記第２アンテナと前記第３アンテナとから形成される第２のコンデンサと、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとから形成される第３のコンデンサの静電容量が前記スライダーの移動により変化し、前記第１のアンテナに印加されている前記発振回路からの交流電圧の変化を検出することにより前記ガイドに対する前記スライダーの位置を算出することを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記第３のアンテナは前記第１と第２のアンテナに連続して対向するよう１本の導電体を折り曲げて形成されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項５】
駆動モータにより回転駆動する回転バーと、この回転バーに螺合された螺旋ばねと、この螺旋ばねに取り付けられスライダーと、このスライダーと前記螺旋ばねを収納したガイドとを備え、前記回転バーの回転により前記螺旋ばねとともに前記スライダーが前記ガイド内で直線的に移動するものであって、
前記ガイドの長手方向に配置した第１のアンテナと、この第１のアンテナに対向するように前記ガイドに配置されて接地された第２のアンテナと、前記第１と第２のアンテナに対向するように前記スライダーに取り付けられた第３のアンテナとを備え、
前記第１のアンテナに高周波数の交流電圧を印加する発振回路と、この発振回路と前記第１のアンテナの間に接続する抵抗器と、前記第１のアンテナからの信号を処理する信号処理回路と、この信号処理回路からの信号をもとに前記スライダーの位置を算出し、前記駆動モータの駆動を制御する制御部とを有することを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項６】
請求項５記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記駆動モータが停止している場合には、前記ガイドに対する前記スライダーの位置の変化量を検出し、この位置の変化量と前記螺旋ばねのばね定数とから前記スライダーに作用する外力を算出することを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項１】
駆動モータにより回転駆動するねじ部と、このねじ部に螺合されたナット部と、このナット部に取り付けられたスライダーとを備え、前記ねじ部の回転により前記ナット部とともに前記スライダーが直線的に移動するリニアアクチュエータにおいて、
前記スライダーの両側面を拘束するガイドと、このガイドの反スライダー側側壁に取り付けられた第１のアンテナと、この第１のアンテナに対向する反スライダー側側壁に取り付けられた第２のアンテナと、この第１と記第２のアンテナに挟持されるよう前記スライダーの両側壁に取り付けられた第３のアンテナとを備え、
前記第１と第２のスライダーに対して前記第３のアンテナの位置が変化したときの静電容量の変化により前記スライダーの位置情報を検出することを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記第２のアンテナは接地されたものであり、前記第１のアンテナに高周波数の交流電圧を印加する発振回路と、前記発振回路と前記第１アンテナの間に接続する抵抗器と、前記第１アンテナからの信号を処理する信号処理回路と、前記信号処理回路からの信号をもとに前記スライダーの位置を算出し、前記駆動モータの駆動を制御する制御部とを有することを特徴としたリニアアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記第１アンテナと前記第３アンテナとから形成される第１のコンデンサと、前記第２アンテナと前記第３アンテナとから形成される第２のコンデンサと、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとから形成される第３のコンデンサの静電容量が前記スライダーの移動により変化し、前記第１のアンテナに印加されている前記発振回路からの交流電圧の変化を検出することにより前記ガイドに対する前記スライダーの位置を算出することを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記第３のアンテナは前記第１と第２のアンテナに連続して対向するよう１本の導電体を折り曲げて形成されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項５】
駆動モータにより回転駆動する回転バーと、この回転バーに螺合された螺旋ばねと、この螺旋ばねに取り付けられスライダーと、このスライダーと前記螺旋ばねを収納したガイドとを備え、前記回転バーの回転により前記螺旋ばねとともに前記スライダーが前記ガイド内で直線的に移動するものであって、
前記ガイドの長手方向に配置した第１のアンテナと、この第１のアンテナに対向するように前記ガイドに配置されて接地された第２のアンテナと、前記第１と第２のアンテナに対向するように前記スライダーに取り付けられた第３のアンテナとを備え、
前記第１のアンテナに高周波数の交流電圧を印加する発振回路と、この発振回路と前記第１のアンテナの間に接続する抵抗器と、前記第１のアンテナからの信号を処理する信号処理回路と、この信号処理回路からの信号をもとに前記スライダーの位置を算出し、前記駆動モータの駆動を制御する制御部とを有することを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項６】
請求項５記載のリニアアクチュエータにおいて、
前記駆動モータが停止している場合には、前記ガイドに対する前記スライダーの位置の変化量を検出し、この位置の変化量と前記螺旋ばねのばね定数とから前記スライダーに作用する外力を算出することを特徴とするリニアアクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００７−１６８３１（Ｐ２００７−１６８３１Ａ）
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１９６９５２（Ｐ２００５−１９６９５２）
【出願日】平成１７年７月６日（２００５．７．６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月６日（２００５．７．６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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