リニアアクチュエータ
【課題】
大きな動力を必要とせずに出力軸を保持する手段として楔係合機構を活用する方法があるが、その楔契合部の部品同士の接触部応力が大きくなりアクチュエータの疲労寿命を低下させることを防止する必要がある。
【解決手段】
回転駆動装置による回転運動を回転−直動変換機構によって直動機構に変換するリニアアクチュエータにおいて、回転−直動変換機構の上流側の回転駆動経路にワンウェイ機構を組み込むことよって、少ない楔係合力によって出力軸が外力によって駆動されるのを阻止できる構成とし、接触部応力を低減する。
大きな動力を必要とせずに出力軸を保持する手段として楔係合機構を活用する方法があるが、その楔契合部の部品同士の接触部応力が大きくなりアクチュエータの疲労寿命を低下させることを防止する必要がある。
【解決手段】
回転駆動装置による回転運動を回転−直動変換機構によって直動機構に変換するリニアアクチュエータにおいて、回転−直動変換機構の上流側の回転駆動経路にワンウェイ機構を組み込むことよって、少ない楔係合力によって出力軸が外力によって駆動されるのを阻止できる構成とし、接触部応力を低減する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータなどの回転駆動源の回転運動を直線運動に変換し対象物を直線的に駆動するリニアアクチュエータに係わり、特にリフト装置における荷物の重力のように荷重方向が一定方向である場合や、その荷重に対抗してアクチュエータが対象物を移動させる際に成した仕事の一部が位置エネルギーやバネの弾性エネルギーなどの形で保存される場合に適したリニアアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題や温暖化対策の一環として、近年、各種機器のアクチュエータにおいて従来の油圧アクチュエータから電動アクチュエータへの変換を志向する動きが高まっている。これは油圧機器では必要な作動油を使用しないこと自体が環境対策になると同時に、電動化によって容易になる動力回生を活用した消費動力削減，エネルギー源を内燃機関の燃料から電力に変換することに伴うアクチュエータ稼動現場でのローカルな環境負荷低減，バッテリーを介した深夜電力利用による広域でのエネルギーの有効利用、などを狙ったものである。
【０００３】
しかし、一方ではアクチュエータを電動化することによって新たに発生する技術課題があり、それらを解決することが油圧アクチュエータから電動アクチュエータへの変換に際して越えなければならないハードルとなっている。
【０００４】
例えば、油圧シリンダのような油圧の直動アクチュエータにおいて駆動対象物から荷重が作用している状態で現在位置に保持する場合には、油圧の給排経路を弁によって遮断して作動油を密閉空間に閉じ込めることで、他の動力を消費せずに保持が可能であるのに対して、電動アクチュエータでは駆動源であるモータにトルクを発生させて外部から作用する荷重と釣り合わせる必要がある。すなわち、このままでは電動アクチュエータへの変換によるせっかくの消費動力削減効果の一部または全部が失われてしまう。また、保持期間中のモータコイル温度上昇などが機器の耐久性を損なう要因にもなる。
【０００５】
上記の保持動力やモータ耐久性の問題を改善しようとする技術の一例として、特開昭２００７−３２７０８号公報「電動リニアアクチュエータ」のように、モータなどの回転駆動源側から出力軸を直動駆動させることのみが可能であり、出力軸に作用するスラスト荷重では出力軸を直動させることができない機構が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３２７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のリニアアクチュエータの機構は、確かに、保持動力を不要にしモータの耐久性を改善する効果を有するが、逆に、その機構自体の耐久性やアクチュエータの電動化の重要な目的の一つである動力回生への適用性ができないなどの問題が残した構成であった。つまり、電動化のメリットを十分に引き出すことができて、しかも、実用性に優れた電動リニアアクチュエータの構成はまだ確立されていないと言える。
【０００８】
特許文献１に記載されたリニアアクチュエータでは、駆動対象物から荷重が作用している状態で直動の出力軸を現在位置に保持するために、出力軸と軸方向に固定された部材との間で楔部材を楔係合させる構成となっている。
【０００９】
一般にリニアアクチュエータでは、回転−直動変換機構によって駆動源であるモータの回転から直動運動を作り出すと同時に、その直動速度を小さくして大きなスラスト推力を発生させている。スラスト推力を大きくしなければならないのは駆動対象物から駆動抵抗などの大きな荷重が作用するためである。
【００１０】
特許文献１記載のリニアアクチュエータでは、その大きな荷重を直接楔係合部で支持することになり、その楔係合機構の部品間の各接触部に大きな荷重を作用させ、接触部の応力値が高くなる大きな要因となる。加えて、特許文献１に記載のリニアアクチュエータにおける楔部材となる転動体には球が用いられており、これが他の部品と点に近い小さな面積でしか接触し得ないことが、接触部の応力値をさらに高める要因となる。
【００１１】
これらの要因により楔係合の接触点の応力値が高くなると、それらの部材の材料疲労によるフレーキング寿命を短くしてアクチュエータとしての耐久性を低下させる。
【００１２】
本発明が解決しようとする課題の一つは、この楔係合部に発生する応力値を低減し、必要な保持動力が小さくてしかも耐久性に優れた電動リニアアクチュエータを実現することである。
【００１３】
特許文献１に記載されたリニアアクチュエータの構成では、また、出力軸を直動させて回転駆動源であるモータを回転駆動させようとしても、必ず上記の楔係合が出力軸を直動運動の段階で楔係合によって止めてしまう。すなわち、駆動対象物にエネルギーが保存されていたとしても、これによってモータを発電機として逆転させ動力回生を行うことができない。
【００１４】
本発明が解決しようとする課題の他の一つは、この動力回生が可能な電動リニアアクチュエータを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記従来の課題を解決するために本発明では以下の構成としている。
【００１６】
請求項１に記載の発明は、回転駆動源によって回転駆動経路の回転部材を回転駆動し、その回転運動を回転−直動変換機構によって直動部材の直動運動に変換し、その直動運動によって外部に対して仕事を行うリニアアクチュエータにおいて、上記回転駆動経路の回転部材が非回転部材に対して回転駆動方向に回転するのを許容しその逆方向に回転するのを楔係合によって阻止するワンウェイ機構を構成し、そのワンウェイ機構を回転部材の上記逆方向回転も許容する状態に切り替え機能を有する構成とした。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリニアアクチュエータにおけるワンウェイ機構を、回転部材と非回転部材のいずれか一方の外周面と他方の内周面との間に円周方向の一方に向かって減少する隙間分布を形成し、その隙間に転動体を楔部材として組み込んで弾性手段によって前記隙間の減少する方向に付勢したワンウェイ機構とし、楔部材の円周方向に隣接させて配置した保持部材とこれを外部からの指令によって円周方向に駆動する駆動手段を保有させ、前記楔部材を前記保持部材によって前記弾性手段による付勢方向と逆方向に押し出して楔係合を阻止しワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転も許容する状態とする構成とした。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構を、外部から能動的に動力を供給しない状態では回転部材が非回転部材に対して回転駆動方向と逆方向に回転するのを阻止し、外部から能動的に動力を供給して逆方向回転も許容する状態とするワンウェイ機構とした。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のリニアアクチュエータにおいて、直動部材の直動運動による外部仕事の少なくとも一部が、位置エネルギーや弾性エネルギーなどの形態で保存される場合に、回転−直動変換機構を、螺旋状の凹凸溝を形成したネジ部材と、このネジ部材とネジ対偶によって連結されたナット部材とを構成要素に持ち、該ネジ部材とナット部材の接触部が転がり接触する回転−直動変換機構とし、ワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転を許容する状態になったときに動力回生を行う構成とした。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項２ないし請求項４に記載のリニアアクチュエータにおいて、楔係合によって回転を阻止するワンウェイ機構の回転部材に他の部分より径の大きな部分を設け、この部分と非回転部材との間に円周方向の一方に向かって減少する隙間分布を形成し、その隙間に転動体を楔部材として組み込んで弾性手段によって前記隙間の減少する方向に付勢する構成とした。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項２ないし請求項４に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構が楔係合によって回転を阻止する回転部材を、回転駆動経路において最も回転速度（角速度）の大きな回転部材とした。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項１および請求項２に記載のリニアアクチュエータにおいて、転動体を楔部材とする楔係合機構を円周方向に複数配置し、ワンウェイ機構における非回転部材の軸直角面内での並進運動を可能とし、軸回りの回転はできないように拘束した。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、請求項４に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転を許容する状態にして動力回生を開始する際に、一旦、回転駆動装置が回転駆動トルクを発生している状態にし、その状態においてワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転を許容する状態に切り替え、その後に回転駆動装置の回転駆動トルクを減少させて動力回生を開始するようにした。
【００２４】
請求項１の発明によれば、まず、ワンウェイ機構の楔係合によって出力軸を現状位置に保持するのに必要な支持力を発生させるので保持動力を削減できる。加えて、大きな推力の作用する直動部でなく、作用トルクが比較的小さくなる回転駆動系路において楔係合を行わせているので、楔係合の部品間接触力を低減して接触部に発生する応力を低減できる。また、回転駆動経路のワンウェイ機構において楔部材とする転動体は円柱状のローラを用いることができるので、楔係合の部品間接触部形態を線接触にして更に接触部応力を低減できる。したがって耐久性が向上する。
【００２５】
また、回転部材の上記逆方向回転も許容する状態に切り替える事によって出力軸側の直動運動によってモータを発電機として回転駆動し動力回生が可能になる。
【００２６】
請求項２に記載の発明によれば、ワンウェイ機構の楔係合を実現するための具体的な構成が提示され、また上記の楔係合を阻止して回転部材の逆方向回転を可能とする具体的な構成も提示される。
【００２７】
請求項３に記載の発明によれば、外部からの動力が遮断されたりその動力に因って回転部材の逆方向回転を許容する状態にするための駆動源が故障したりしたフェール時でも、アクチュエータのワンウェイ機構は回転部材の逆方向回転を阻止する機能を維持しており、直動の出力軸が外部から作用する荷重によって動いてしまうのを防止して安全性を確保する。
【００２８】
請求項４に記載の発明によれば、回転−直動変換機構において相対運動部品間を転がり接触にすることですべり接触の場合に比べて摩擦係数を大幅に低減し、回転から直動への変換だけでなく特に直動から回転への変換の際の機械効率も向上させることができる。これによって動力回生を実施する意味のある量の回収動力を確保することができる。
【００２９】
請求項５に記載の発明によれば、直動の出力軸に外部から作用している荷重が変わらず回転駆動経路におけるワンウェイ機構で保持すべきトルクが同じであっても、そのトルクをより大きな径の部分における楔係合力で発生させれば良い。つまり、楔係合力はより径の大きな部分をワンウェイ機構の回転部材に用いることで低減でき、接触部応力を低減して耐久性を向上させることができる。
【００３０】
請求項６に記載の発明によれば、次のようにして直動の出力軸に外部から作用している荷重が変わらなくても回転駆動経路においてワンウェイ機構で保持すべきトルクを低減できる。回転駆動経路の途中で歯車などによって変速された場合でも、それらの変速部での摩擦損失が十分小さいとして無視すれば、各回転速度部分では伝達している動力は変わらずほぼ一定と見なせる。各回転速度部分に作用しているトルクは上記の一定の動力を角速度で除して求められるので、回転速度が最も大きな回転部材部分に作用するトルクが最も小さい。したがって楔係合部に発生する応力も最小となり、耐久性が向上する。
【００３１】
請求項７に記載の発明によれば、軸直角面内での並進運動が可能なので、非回転部材は複数の楔係合機構の各々における楔係合力が釣り合う位置まで自動的に移動する。この作用を利用して各楔係合機構における楔係合力を均等化することができ、その結果、一部の楔係合機構の楔係合力が大きくなることを防止できる。したがって楔係合部に発生する応力も最小となり、耐久性が向上する。
【００３２】
請求項８に記載の発明によれば、動力回生のためにワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転を許容する状態に切り替える際に駆動しなければならない部分の摩擦抵抗を大幅に低減することが可能になり、上記の切り替え作業すなわち動力回生を実質的に可能にする。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、直動運動によって外部に対して仕事を行うリニアアクチュエータにおいて、外部から荷重の作用する出力軸を一定の位置に保持しておくための動力である保持動力を削減できる上に、構成部品の楔係合部に発生する応力を低減して耐久性も向上させることができる。また、必要に応じ外部からの指示によって、この動力回生を行うことが可能になり、一層の省動力が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の一実施例であるリニアアクチュエータを図１ないし図７により説明する。図１は本実施例におけるリニアアクチュエータ全体構成の側断面図である。図２は図１におけるＡ部の部分拡大図、図３は図２におけるＢ−Ｂ断面図、図４は図２におけるＣ−Ｃ断面図、図５は図２におけるＤ−Ｄ断面図である。図６は本実施例のワンウェイ機構部が機能して回転駆動系の逆転ができない状態の説明図で図６（ａ）と図６（ｂ）はそれぞれその時のＤ−Ｄ断面図とＣ−Ｃ断面図。図７は本実施例のワンウェイ機構部の機能が阻止されていて回転駆動系の逆転も可能になった状態の説明図で図７（ａ）と図７（ｂ）はそれぞれその時のＤ−Ｄ断面図とＣ−Ｃ断面図。
【００３５】
図１に示すリニアアクチュエータの全体構成においては、まず、回転駆動装置であるモータ１の出力軸１ａにＡ部のワンウェイ機構部が構成され、次に小歯車２が固定されている。小歯車２には大歯車３が噛み合い、大歯車３にはネジ軸４が固定されている。小歯車２の回転はラジアル軸受５とモータ１の軸受によって回転支持され、大歯車３とネジ軸４が一体化されたものは、ラジアル軸受６により回転を支持されスラスト軸受７によってアクチュエータ推力に対する反力を支持されている。以上によって回転駆動経路が構成されている。なお、以上の各軸受などは固定部品である下部ハウジング８と上記回転駆動経路の各回転部品の間に組み込まれている。
【００３６】
ネジ軸４にはナット部材９がネジ対偶で装着されてネジ機構を構成しており、両者は相対的な回転と軸方向移動を同時に行う。本実施例におけるナット部材９は、ネジ軸４とナット部材９が転がり接触で接触し、ネジ軸４とナット部材９の間の摩擦抵抗がすべり接触の場合に比べて大幅に小さくなっている。この転がり接触を行うネジ機構の例としては、特許文献１に示されているボールネジ機構や特開昭２００４−３２１０４３号公報に示されている公転ローラ機構が挙げられる。
【００３７】
ナット部材９には、直動出力部材１０が固定されている。直動出力部材１０はネジ軸４との干渉を回避するために中空になっている。また、本実施例においては、直動出力部材１０が図１に一点鎖線で表記する別のリニアアクチュエータの直動出力部材１１と連結部材１２によって連結されており、直動出力部材１０およびこれと一体となったナット部材９はそれぞれの中心軸回りの回転ができないように拘束されている。直動出力部材１０およびこれと一体となったナット部材９の中心軸回りの回転のみ阻止して軸方向への移動を許容する他の構成としては、それらのいずれか一方と、後述の上部ハウジング１４とをすべりキーによって連結する構成なども考えられる。
【００３８】
前記の下部ハウジング８の上には中央ハウジング１３が固定されており、この中央ハウジング１３を介して円筒上の上部ハウジング１４が固定されている。上部ハウジング１４はその内周面１４ａによってナット部材９およびネジ軸４が傾斜しないように支持する機能を果たしている。また、直動出力部材１０の外周面との間でシールを行い、ネジ軸４とナット部材９によるネジ対偶部にゴミなどが侵入するのを防止している。なお、前記Ａ部のワンウェイ機構部は中央ハウジング１３とモータ１の出力軸１ａとの間に組み込まれている。
【００３９】
図２〜図４に示すＡ部のワンウェイ機構部における斜面形成部材１５は、オルダムリング１６を介して中央ハウジング１３に対して回転しないように拘束された非回転部材である。オルダムリング１６の下面に形成された一対のキー部１６ａは、それぞれ、中央ハウジング１３に形成された一対のキー溝部１３ａに勘入されており、オルダムリング１６は中央ハウジング１３に対してそれらの溝方向にのみ相対移動できる。オルダムリング１６の上面に形成された一対のキー部１６ｂは、それぞれ、斜面形成部材１５に形成された一対のキー溝部１５ａに勘入されており、斜面形成部材１５はオルダムリング１６に対してそれらの溝方向にのみ相対移動できる。上の結果、斜面形成部材１５は中央ハウジング１３に対して軸直角面内での並進運動（並進移動）はできるが、回転運動はできない状態となる。
【００４０】
図４に示されるように、ワンウェイ機構部は、モータ１の出力軸１ａに固定された直径の大きなフランジ部の外周円筒面１ｂと、斜面形成部材１５の内周に設けられ円周方向の一方に向かって傾斜した傾斜面１５ｂと、それらの間に組み込まれた転動体であるローラ１７と、そのローラ１７を外周円筒面１ｂと傾斜面１５ｂの間の隙間が減少する方向である時計回転方向に付勢する付勢バネ１８を構成要素に持っている。
【００４１】
本実施例においては、傾斜面１５ｂとローラ１７と付勢バネ１８はそれぞれ３個が１２０度の角度ピッチで円周方向に配置されている。更にローラ保持器１９の一部が各ローラに対して付勢バネ１８の反対側すなわち付勢バネ１８の時計回転方向側に隣接して配置されている。
【００４２】
図５に示すようにローラ保持器１９の外周の一ヶ所に突出した保持器アーム部１９ａが保持器制御ソレノイド２０のプランジャ２０ａが進退することによって円周方向の前後に駆動されることによって、ローラ保持器１９は若干の角度だけ斜面形成部材１５に対して回転駆動される。本実施例の構成では、保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電されない状態でプランジャ２０ａが内部のバネによって図５の右方向に移動し、ローラ保持器１９を時計回転方向に回転駆動する。一方、励磁コイルに通電された状態ではプランジャ２０ａが電磁吸引力によって図５の左方向に移動し、ローラ保持器１９を反時計回転方向に回転駆動する。
【００４３】
以下に、上記の構成によってワンウェイ機構が機能して動力を供給しなくても外力に対してリニアアクチュエータが静止状態で現状位置を保持できる様子を図６により説明し、ワンウェイ機構の機能を外部から能動的に休止させて外力によって回転駆動経路を回転駆動し動力回生を可能にする様子を図７により説明する。
【００４４】
図６においては、保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電されない状態でプランジャ２０ａが内部のバネによって図６（ａ）の右方向に移動し、ローラ保持器１９を時計回転方向に回転駆動している。この時、図６（ｂ）においてローラ１７に隣接しているローラ保持器１９の一部は、図中のＥ部に示されるようにローラ１７から離れる方向に回転駆動され、ローラ１７の動きを阻害しない状態が確保されている。したがって、各ローラ１７は付勢バネ１８によって図６（ｂ）における時計回転方向に移動し、外周円筒面１ｂと傾斜面１５ｂの両方に接触し楔係合ができる状態となっている。
【００４５】
この時、出力軸１ａが時計回転方向に回転しようとすると、外周円筒面１ｂと各ローラ１７との間の摩擦力が各ローラ１７を隙間が減少する方向に引き込んで楔係合状態を作り出し、その大きな緊迫力による摩擦力によって出力軸１ａの時計方向の回転は阻止される。
【００４６】
本実施例のリニアアクチュエータの全体構成によれば、図６（ｂ）において出力軸１ａが時計方向に回転する時、ネジ軸４は上方から見て反時計方向に回転する。更に、本実施例ではネジ軸４に形成されたネジが右ネジであるので、ネジ軸の上記反時計方向の回転と自転しないように拘束されたナット部材９と直動出力部材１０の下方への直動運動とが連動している。このため、出力軸１ａの時計方向回転が上記のように楔係合によって阻止されることでナット部材９および直動出力部材１０は下方への直動運動が止められる。すなわち、保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電されない状態では、直動出力部材１０に下方への外力が作用しても、楔係合を利用して動力を消費せずに直動出力部材１０の位置を保持する事ができる。
【００４７】
また、図６（ｂ）において出力軸１ａが反時計方向に回転しようとすると、外周円筒面１ｂと各ローラ１７との間の摩擦力は各ローラ１７を隙間が増大する方向に押し出し楔係合状態は発生しない。つまり、出力軸１ａは反時計方向に自由に回転できる。出力軸１ａの反時計方向回転とナット部材９および直動出力部材１０の上方への直動運動が連動していることを考えれば、保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電されない状態では、回転駆動装置であるモータ１によって直動出力部材１０を外力に逆らって上方に直動駆動する事が可能である。
【００４８】
楔係合を利用して直動出力部材１０の位置を保持する事について、更に言及すれば、まず楔係合によって動きを止める部材である出力軸１ａは回転部材である。一般にネジ機構を利用して回転運動を直動運動に変換する場合、回転部材のトルクが小さくても直動部材には大きな推力が発生している。このことは、回転部材である出力軸１ａを小さなトルクで静止させることで大きな外力が作用している直動出力部材１０を保持することができることを意味している。したがって、楔係合部に発生する応力を比較的小さくでき、疲労寿命を延ばすことができる。
【００４９】
また、小歯車２の歯数が大歯車３の歯数より小さいので、楔係合によって動きを止める部材である出力軸１ａは同じ回転駆動経路の中の回転部材であるネジ軸４などに比べて、回転速度が大きく作用しているトルクが小さい。回転部材のなかでもより回転速度が大きい出力軸１ａを選んで楔係合によって動きを止めていることも、楔係合部に発生する応力を小さくして疲労寿命を延ばすことに寄与している。
【００５０】
更に、実際の楔係合は出力軸１ａの軸部よりも大きな径の外周円筒面１ｂに作用させている。これによって、楔係合が発生させなければならない保持トルクが同じであっても、楔係合が発生しなければならない緊迫力は小さくても良くなり、これも楔係合部に発生する応力を小さくして疲労寿命を延ばすことに寄与している。
【００５１】
最後に、斜面形成部材１５は中央ハウジン１３に対して非回転状態で拘束されているが、オルダムリング１６を介しているために軸直角面内で並進移動が可能である。このため、もし図６（ｂ）における３箇所の楔係合部の緊迫力に差がある場合、その反作用力として斜面形成部材１５に作用する３つの接触力は釣り合わず、斜面形成部材１５が不釣合い力によって軸直角面内で並進移動し、その結果、３箇所の楔係合部の緊迫力は均等化されるので楔係合部に発生する応力の最大値が大きくなるのを抑制できる。これも疲労寿命を延ばすことに寄与している。
【００５２】
フェールセーフという観点から見ると、図６のように保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電されない状態では、直動出力部材１０に下方への移動を阻止して現状位置を保持する状態になるので、電源が遮断された故障時に大きな外力や重量物を支持していた直動出力部材１０が制御不能な状態で降下するのを確実に防止できる。つまりフェールセーフが確保できる。
【００５３】
図７においては、保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電されプランジャ２０ａが磁気吸引力によって図７（ａ）の左方向に移動し、ローラ保持器１９を反時計方向に回転駆動している。この時は、図７（ｂ）において各ローラ１７に隣接しているローラ保持器１９の一部は図中のＦ部に示されるように各ローラ１７に接触し、これを半径方向隙間の増大する反時計方向に押し出している。これによって、各ローラ１７は外周円筒面１ｂと傾斜面１５ｂの両方に挟まれて楔係合をすることができなくなる。このとき、出力軸１ａが時計回転方向に回転して外周円筒面１ｂと各ローラ１７との間の摩擦力が各ローラ１７を隙間が減少する方向に引き込まれようとするのを、ローラ保持器１９が邪魔をしている。この結果、出力軸１ａは、楔係合によって阻止されることなく、時計回転方向に自由に回転することができる。
【００５４】
前述したとおり、出力軸１ａの図７（ｂ）における時計回転方向と直動出力部材１０の下方への移動が連動しているため、保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルへの通電によって図７の状態が維持されていれば、外力によって直動出力部材１０を下方へ駆動して回転駆動経路を逆に回転駆動し、回転駆動装置であるモータ１を発電機として駆動して動力回生を行う事ができる。
【００５５】
本実施例では転がり接触により摩擦抵抗を小さくしたネジ機構を回転−直動変換機構として採用しており、上記の動力回生時においても回転−直動変換機構における逆効率が高く、動力回生効率も高い値が確保できる。
【００５６】
なお、図６の状態にある時に、保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電して図７の状態に変えようとする際には、図６（ｂ）のように外周円筒面１ｂと傾斜面１５ｂに挟まれて緊迫力の作用している各ローラ１７を、保持器制御ソレノイド２０の磁気吸引力を駆動力としてローラ保持器１９によって押し出さなければならない。
【００５７】
緊迫力の大きさに連動した摩擦抵抗によって、上記ローラ１７の押し出しができなくなる事が懸念されるので、動力回生モードに切り替える際に例えば次の手順で切り替えることを推奨する。
【００５８】
すなわち、モータ１を本来の回転駆動装置として機能させ図６（ｂ）の出力軸１ａに反時計方向の回転駆動トルクを作用させる。このトルクによって外力が出力軸１ａを時計方向に回転駆動しようとするトルクを相殺する。これによって、図６（ｂ）の各ローラ１７に作用している緊迫力と摩擦抵抗を減少させる。モータ１の回転駆動トルクが十分大きくなり、上記摩擦抵抗が十分小さいかゼロになった時点で保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電する。各ローラ１７に作用している緊迫力により摩擦抵抗がなくなれば、それらを押し出すのに必要な力はほぼ付勢バネ１８による付勢力だけでよいので、保持器制御ソレノイド２０の磁気吸引力を駆動力としてローラ保持器１９でローラ１７を押し出す。その後、モータ１の回転駆動トルクを低下させ、外力による駆動トルクで出力軸１ａが逆転しだすことで動力回生を開始する。
【００５９】
なお、上記の一連の手順の間に電源などがダウンしても、必ず図６（ｂ）の状態に回帰して直動出力部材１０の下方への移動が止められので、フェールセーフ性は保たれる。
【００６０】
本実施例として説明したリニアアクチュエータの適応例について説明する。図８は適応例の一つとして荷物を運搬する作業装置であるフォークリフトに適用した例を示す。フォークリフトの本体１００にマスト１０１が取り付けられている。マスト１０１に付設される荷物昇降部１０２は、リフトブラケット（図示せず）を介してマスト５の内枠に昇降自在に取り付けられる保持枠１０３と、保持枠１０３に取り付けられる一対のフォーク１０４とを有している。上述の実施例で説明したリニアアクチュエータ１０５は、例えばマスト１０１の運転席側に設けることができる。
【００６１】
リニアアクチュエータ１０５は、荷物昇降部１０２を上昇させて停止させたとき、その昇降位置を保持するために何ら動力を必要としない。また、加工させる際には前述のように外力による駆動トルクで内部の出力軸が逆転して動力回生を行うことができる。
【００６２】
したがって、本実施例におけるリニアアクチュエータを備えたフォークリフトは、荷物を上昇させて特定の位置に停止させ保持するためにエネルギーを必要とせず、上昇させて保持していた荷物を加工させる際にはエネルギーを有効的に回収することが可能な電動フォークリフトを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施例におけるリニアアクチュエータ全体構成の側断面図。
【図２】図１におけるＡ部の部分拡大図。
【図３】図２におけるＢ−Ｂ断面図。
【図４】図２におけるＣ−Ｃ断面図。
【図５】図２におけるＤ−Ｄ断面図。
【図６】本実施例におけるワンウェイ機構部が機能して回転駆動系の逆転ができない状態の説明図。
【図７】本実施例におけるワンウェイ機構部の機能が阻止されていて回転駆動系の逆転も可能になった状態の説明図。
【図８】図１に示すリニアアクチュエータを適用した一例を説明する図。
【符号の説明】
【００６４】
１ モータ
１ａ 出力軸
１ｂ 外周円筒面
２ 小歯車
３ 大歯車
４ ネジ軸
５，６ ラジアル軸受
７ スラスト軸受
８ 下部ハウジング
９ ナット部材
１０，１１ 直動出力部材
１２ 連結部材
１３ 中央ハウジング
１３ａ，１５ａ キー溝部
１４ 上部ハウジング
１４ａ 内周面
１５ 斜面形成部材
１５ｂ 傾斜面
１６ オルダムリング
１６ａ，１６ｂ キー部
１７ ローラ
１８ 付勢バネ
１９ ローラ保持器
１９ａ 保持器アーム部
２０ 保持器制御ソレノイド
２０ａ プランジャ
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータなどの回転駆動源の回転運動を直線運動に変換し対象物を直線的に駆動するリニアアクチュエータに係わり、特にリフト装置における荷物の重力のように荷重方向が一定方向である場合や、その荷重に対抗してアクチュエータが対象物を移動させる際に成した仕事の一部が位置エネルギーやバネの弾性エネルギーなどの形で保存される場合に適したリニアアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題や温暖化対策の一環として、近年、各種機器のアクチュエータにおいて従来の油圧アクチュエータから電動アクチュエータへの変換を志向する動きが高まっている。これは油圧機器では必要な作動油を使用しないこと自体が環境対策になると同時に、電動化によって容易になる動力回生を活用した消費動力削減，エネルギー源を内燃機関の燃料から電力に変換することに伴うアクチュエータ稼動現場でのローカルな環境負荷低減，バッテリーを介した深夜電力利用による広域でのエネルギーの有効利用、などを狙ったものである。
【０００３】
しかし、一方ではアクチュエータを電動化することによって新たに発生する技術課題があり、それらを解決することが油圧アクチュエータから電動アクチュエータへの変換に際して越えなければならないハードルとなっている。
【０００４】
例えば、油圧シリンダのような油圧の直動アクチュエータにおいて駆動対象物から荷重が作用している状態で現在位置に保持する場合には、油圧の給排経路を弁によって遮断して作動油を密閉空間に閉じ込めることで、他の動力を消費せずに保持が可能であるのに対して、電動アクチュエータでは駆動源であるモータにトルクを発生させて外部から作用する荷重と釣り合わせる必要がある。すなわち、このままでは電動アクチュエータへの変換によるせっかくの消費動力削減効果の一部または全部が失われてしまう。また、保持期間中のモータコイル温度上昇などが機器の耐久性を損なう要因にもなる。
【０００５】
上記の保持動力やモータ耐久性の問題を改善しようとする技術の一例として、特開昭２００７−３２７０８号公報「電動リニアアクチュエータ」のように、モータなどの回転駆動源側から出力軸を直動駆動させることのみが可能であり、出力軸に作用するスラスト荷重では出力軸を直動させることができない機構が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３２７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のリニアアクチュエータの機構は、確かに、保持動力を不要にしモータの耐久性を改善する効果を有するが、逆に、その機構自体の耐久性やアクチュエータの電動化の重要な目的の一つである動力回生への適用性ができないなどの問題が残した構成であった。つまり、電動化のメリットを十分に引き出すことができて、しかも、実用性に優れた電動リニアアクチュエータの構成はまだ確立されていないと言える。
【０００８】
特許文献１に記載されたリニアアクチュエータでは、駆動対象物から荷重が作用している状態で直動の出力軸を現在位置に保持するために、出力軸と軸方向に固定された部材との間で楔部材を楔係合させる構成となっている。
【０００９】
一般にリニアアクチュエータでは、回転−直動変換機構によって駆動源であるモータの回転から直動運動を作り出すと同時に、その直動速度を小さくして大きなスラスト推力を発生させている。スラスト推力を大きくしなければならないのは駆動対象物から駆動抵抗などの大きな荷重が作用するためである。
【００１０】
特許文献１記載のリニアアクチュエータでは、その大きな荷重を直接楔係合部で支持することになり、その楔係合機構の部品間の各接触部に大きな荷重を作用させ、接触部の応力値が高くなる大きな要因となる。加えて、特許文献１に記載のリニアアクチュエータにおける楔部材となる転動体には球が用いられており、これが他の部品と点に近い小さな面積でしか接触し得ないことが、接触部の応力値をさらに高める要因となる。
【００１１】
これらの要因により楔係合の接触点の応力値が高くなると、それらの部材の材料疲労によるフレーキング寿命を短くしてアクチュエータとしての耐久性を低下させる。
【００１２】
本発明が解決しようとする課題の一つは、この楔係合部に発生する応力値を低減し、必要な保持動力が小さくてしかも耐久性に優れた電動リニアアクチュエータを実現することである。
【００１３】
特許文献１に記載されたリニアアクチュエータの構成では、また、出力軸を直動させて回転駆動源であるモータを回転駆動させようとしても、必ず上記の楔係合が出力軸を直動運動の段階で楔係合によって止めてしまう。すなわち、駆動対象物にエネルギーが保存されていたとしても、これによってモータを発電機として逆転させ動力回生を行うことができない。
【００１４】
本発明が解決しようとする課題の他の一つは、この動力回生が可能な電動リニアアクチュエータを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記従来の課題を解決するために本発明では以下の構成としている。
【００１６】
請求項１に記載の発明は、回転駆動源によって回転駆動経路の回転部材を回転駆動し、その回転運動を回転−直動変換機構によって直動部材の直動運動に変換し、その直動運動によって外部に対して仕事を行うリニアアクチュエータにおいて、上記回転駆動経路の回転部材が非回転部材に対して回転駆動方向に回転するのを許容しその逆方向に回転するのを楔係合によって阻止するワンウェイ機構を構成し、そのワンウェイ機構を回転部材の上記逆方向回転も許容する状態に切り替え機能を有する構成とした。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリニアアクチュエータにおけるワンウェイ機構を、回転部材と非回転部材のいずれか一方の外周面と他方の内周面との間に円周方向の一方に向かって減少する隙間分布を形成し、その隙間に転動体を楔部材として組み込んで弾性手段によって前記隙間の減少する方向に付勢したワンウェイ機構とし、楔部材の円周方向に隣接させて配置した保持部材とこれを外部からの指令によって円周方向に駆動する駆動手段を保有させ、前記楔部材を前記保持部材によって前記弾性手段による付勢方向と逆方向に押し出して楔係合を阻止しワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転も許容する状態とする構成とした。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構を、外部から能動的に動力を供給しない状態では回転部材が非回転部材に対して回転駆動方向と逆方向に回転するのを阻止し、外部から能動的に動力を供給して逆方向回転も許容する状態とするワンウェイ機構とした。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のリニアアクチュエータにおいて、直動部材の直動運動による外部仕事の少なくとも一部が、位置エネルギーや弾性エネルギーなどの形態で保存される場合に、回転−直動変換機構を、螺旋状の凹凸溝を形成したネジ部材と、このネジ部材とネジ対偶によって連結されたナット部材とを構成要素に持ち、該ネジ部材とナット部材の接触部が転がり接触する回転−直動変換機構とし、ワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転を許容する状態になったときに動力回生を行う構成とした。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項２ないし請求項４に記載のリニアアクチュエータにおいて、楔係合によって回転を阻止するワンウェイ機構の回転部材に他の部分より径の大きな部分を設け、この部分と非回転部材との間に円周方向の一方に向かって減少する隙間分布を形成し、その隙間に転動体を楔部材として組み込んで弾性手段によって前記隙間の減少する方向に付勢する構成とした。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項２ないし請求項４に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構が楔係合によって回転を阻止する回転部材を、回転駆動経路において最も回転速度（角速度）の大きな回転部材とした。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項１および請求項２に記載のリニアアクチュエータにおいて、転動体を楔部材とする楔係合機構を円周方向に複数配置し、ワンウェイ機構における非回転部材の軸直角面内での並進運動を可能とし、軸回りの回転はできないように拘束した。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、請求項４に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転を許容する状態にして動力回生を開始する際に、一旦、回転駆動装置が回転駆動トルクを発生している状態にし、その状態においてワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転を許容する状態に切り替え、その後に回転駆動装置の回転駆動トルクを減少させて動力回生を開始するようにした。
【００２４】
請求項１の発明によれば、まず、ワンウェイ機構の楔係合によって出力軸を現状位置に保持するのに必要な支持力を発生させるので保持動力を削減できる。加えて、大きな推力の作用する直動部でなく、作用トルクが比較的小さくなる回転駆動系路において楔係合を行わせているので、楔係合の部品間接触力を低減して接触部に発生する応力を低減できる。また、回転駆動経路のワンウェイ機構において楔部材とする転動体は円柱状のローラを用いることができるので、楔係合の部品間接触部形態を線接触にして更に接触部応力を低減できる。したがって耐久性が向上する。
【００２５】
また、回転部材の上記逆方向回転も許容する状態に切り替える事によって出力軸側の直動運動によってモータを発電機として回転駆動し動力回生が可能になる。
【００２６】
請求項２に記載の発明によれば、ワンウェイ機構の楔係合を実現するための具体的な構成が提示され、また上記の楔係合を阻止して回転部材の逆方向回転を可能とする具体的な構成も提示される。
【００２７】
請求項３に記載の発明によれば、外部からの動力が遮断されたりその動力に因って回転部材の逆方向回転を許容する状態にするための駆動源が故障したりしたフェール時でも、アクチュエータのワンウェイ機構は回転部材の逆方向回転を阻止する機能を維持しており、直動の出力軸が外部から作用する荷重によって動いてしまうのを防止して安全性を確保する。
【００２８】
請求項４に記載の発明によれば、回転−直動変換機構において相対運動部品間を転がり接触にすることですべり接触の場合に比べて摩擦係数を大幅に低減し、回転から直動への変換だけでなく特に直動から回転への変換の際の機械効率も向上させることができる。これによって動力回生を実施する意味のある量の回収動力を確保することができる。
【００２９】
請求項５に記載の発明によれば、直動の出力軸に外部から作用している荷重が変わらず回転駆動経路におけるワンウェイ機構で保持すべきトルクが同じであっても、そのトルクをより大きな径の部分における楔係合力で発生させれば良い。つまり、楔係合力はより径の大きな部分をワンウェイ機構の回転部材に用いることで低減でき、接触部応力を低減して耐久性を向上させることができる。
【００３０】
請求項６に記載の発明によれば、次のようにして直動の出力軸に外部から作用している荷重が変わらなくても回転駆動経路においてワンウェイ機構で保持すべきトルクを低減できる。回転駆動経路の途中で歯車などによって変速された場合でも、それらの変速部での摩擦損失が十分小さいとして無視すれば、各回転速度部分では伝達している動力は変わらずほぼ一定と見なせる。各回転速度部分に作用しているトルクは上記の一定の動力を角速度で除して求められるので、回転速度が最も大きな回転部材部分に作用するトルクが最も小さい。したがって楔係合部に発生する応力も最小となり、耐久性が向上する。
【００３１】
請求項７に記載の発明によれば、軸直角面内での並進運動が可能なので、非回転部材は複数の楔係合機構の各々における楔係合力が釣り合う位置まで自動的に移動する。この作用を利用して各楔係合機構における楔係合力を均等化することができ、その結果、一部の楔係合機構の楔係合力が大きくなることを防止できる。したがって楔係合部に発生する応力も最小となり、耐久性が向上する。
【００３２】
請求項８に記載の発明によれば、動力回生のためにワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転を許容する状態に切り替える際に駆動しなければならない部分の摩擦抵抗を大幅に低減することが可能になり、上記の切り替え作業すなわち動力回生を実質的に可能にする。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、直動運動によって外部に対して仕事を行うリニアアクチュエータにおいて、外部から荷重の作用する出力軸を一定の位置に保持しておくための動力である保持動力を削減できる上に、構成部品の楔係合部に発生する応力を低減して耐久性も向上させることができる。また、必要に応じ外部からの指示によって、この動力回生を行うことが可能になり、一層の省動力が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の一実施例であるリニアアクチュエータを図１ないし図７により説明する。図１は本実施例におけるリニアアクチュエータ全体構成の側断面図である。図２は図１におけるＡ部の部分拡大図、図３は図２におけるＢ−Ｂ断面図、図４は図２におけるＣ−Ｃ断面図、図５は図２におけるＤ−Ｄ断面図である。図６は本実施例のワンウェイ機構部が機能して回転駆動系の逆転ができない状態の説明図で図６（ａ）と図６（ｂ）はそれぞれその時のＤ−Ｄ断面図とＣ−Ｃ断面図。図７は本実施例のワンウェイ機構部の機能が阻止されていて回転駆動系の逆転も可能になった状態の説明図で図７（ａ）と図７（ｂ）はそれぞれその時のＤ−Ｄ断面図とＣ−Ｃ断面図。
【００３５】
図１に示すリニアアクチュエータの全体構成においては、まず、回転駆動装置であるモータ１の出力軸１ａにＡ部のワンウェイ機構部が構成され、次に小歯車２が固定されている。小歯車２には大歯車３が噛み合い、大歯車３にはネジ軸４が固定されている。小歯車２の回転はラジアル軸受５とモータ１の軸受によって回転支持され、大歯車３とネジ軸４が一体化されたものは、ラジアル軸受６により回転を支持されスラスト軸受７によってアクチュエータ推力に対する反力を支持されている。以上によって回転駆動経路が構成されている。なお、以上の各軸受などは固定部品である下部ハウジング８と上記回転駆動経路の各回転部品の間に組み込まれている。
【００３６】
ネジ軸４にはナット部材９がネジ対偶で装着されてネジ機構を構成しており、両者は相対的な回転と軸方向移動を同時に行う。本実施例におけるナット部材９は、ネジ軸４とナット部材９が転がり接触で接触し、ネジ軸４とナット部材９の間の摩擦抵抗がすべり接触の場合に比べて大幅に小さくなっている。この転がり接触を行うネジ機構の例としては、特許文献１に示されているボールネジ機構や特開昭２００４−３２１０４３号公報に示されている公転ローラ機構が挙げられる。
【００３７】
ナット部材９には、直動出力部材１０が固定されている。直動出力部材１０はネジ軸４との干渉を回避するために中空になっている。また、本実施例においては、直動出力部材１０が図１に一点鎖線で表記する別のリニアアクチュエータの直動出力部材１１と連結部材１２によって連結されており、直動出力部材１０およびこれと一体となったナット部材９はそれぞれの中心軸回りの回転ができないように拘束されている。直動出力部材１０およびこれと一体となったナット部材９の中心軸回りの回転のみ阻止して軸方向への移動を許容する他の構成としては、それらのいずれか一方と、後述の上部ハウジング１４とをすべりキーによって連結する構成なども考えられる。
【００３８】
前記の下部ハウジング８の上には中央ハウジング１３が固定されており、この中央ハウジング１３を介して円筒上の上部ハウジング１４が固定されている。上部ハウジング１４はその内周面１４ａによってナット部材９およびネジ軸４が傾斜しないように支持する機能を果たしている。また、直動出力部材１０の外周面との間でシールを行い、ネジ軸４とナット部材９によるネジ対偶部にゴミなどが侵入するのを防止している。なお、前記Ａ部のワンウェイ機構部は中央ハウジング１３とモータ１の出力軸１ａとの間に組み込まれている。
【００３９】
図２〜図４に示すＡ部のワンウェイ機構部における斜面形成部材１５は、オルダムリング１６を介して中央ハウジング１３に対して回転しないように拘束された非回転部材である。オルダムリング１６の下面に形成された一対のキー部１６ａは、それぞれ、中央ハウジング１３に形成された一対のキー溝部１３ａに勘入されており、オルダムリング１６は中央ハウジング１３に対してそれらの溝方向にのみ相対移動できる。オルダムリング１６の上面に形成された一対のキー部１６ｂは、それぞれ、斜面形成部材１５に形成された一対のキー溝部１５ａに勘入されており、斜面形成部材１５はオルダムリング１６に対してそれらの溝方向にのみ相対移動できる。上の結果、斜面形成部材１５は中央ハウジング１３に対して軸直角面内での並進運動（並進移動）はできるが、回転運動はできない状態となる。
【００４０】
図４に示されるように、ワンウェイ機構部は、モータ１の出力軸１ａに固定された直径の大きなフランジ部の外周円筒面１ｂと、斜面形成部材１５の内周に設けられ円周方向の一方に向かって傾斜した傾斜面１５ｂと、それらの間に組み込まれた転動体であるローラ１７と、そのローラ１７を外周円筒面１ｂと傾斜面１５ｂの間の隙間が減少する方向である時計回転方向に付勢する付勢バネ１８を構成要素に持っている。
【００４１】
本実施例においては、傾斜面１５ｂとローラ１７と付勢バネ１８はそれぞれ３個が１２０度の角度ピッチで円周方向に配置されている。更にローラ保持器１９の一部が各ローラに対して付勢バネ１８の反対側すなわち付勢バネ１８の時計回転方向側に隣接して配置されている。
【００４２】
図５に示すようにローラ保持器１９の外周の一ヶ所に突出した保持器アーム部１９ａが保持器制御ソレノイド２０のプランジャ２０ａが進退することによって円周方向の前後に駆動されることによって、ローラ保持器１９は若干の角度だけ斜面形成部材１５に対して回転駆動される。本実施例の構成では、保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電されない状態でプランジャ２０ａが内部のバネによって図５の右方向に移動し、ローラ保持器１９を時計回転方向に回転駆動する。一方、励磁コイルに通電された状態ではプランジャ２０ａが電磁吸引力によって図５の左方向に移動し、ローラ保持器１９を反時計回転方向に回転駆動する。
【００４３】
以下に、上記の構成によってワンウェイ機構が機能して動力を供給しなくても外力に対してリニアアクチュエータが静止状態で現状位置を保持できる様子を図６により説明し、ワンウェイ機構の機能を外部から能動的に休止させて外力によって回転駆動経路を回転駆動し動力回生を可能にする様子を図７により説明する。
【００４４】
図６においては、保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電されない状態でプランジャ２０ａが内部のバネによって図６（ａ）の右方向に移動し、ローラ保持器１９を時計回転方向に回転駆動している。この時、図６（ｂ）においてローラ１７に隣接しているローラ保持器１９の一部は、図中のＥ部に示されるようにローラ１７から離れる方向に回転駆動され、ローラ１７の動きを阻害しない状態が確保されている。したがって、各ローラ１７は付勢バネ１８によって図６（ｂ）における時計回転方向に移動し、外周円筒面１ｂと傾斜面１５ｂの両方に接触し楔係合ができる状態となっている。
【００４５】
この時、出力軸１ａが時計回転方向に回転しようとすると、外周円筒面１ｂと各ローラ１７との間の摩擦力が各ローラ１７を隙間が減少する方向に引き込んで楔係合状態を作り出し、その大きな緊迫力による摩擦力によって出力軸１ａの時計方向の回転は阻止される。
【００４６】
本実施例のリニアアクチュエータの全体構成によれば、図６（ｂ）において出力軸１ａが時計方向に回転する時、ネジ軸４は上方から見て反時計方向に回転する。更に、本実施例ではネジ軸４に形成されたネジが右ネジであるので、ネジ軸の上記反時計方向の回転と自転しないように拘束されたナット部材９と直動出力部材１０の下方への直動運動とが連動している。このため、出力軸１ａの時計方向回転が上記のように楔係合によって阻止されることでナット部材９および直動出力部材１０は下方への直動運動が止められる。すなわち、保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電されない状態では、直動出力部材１０に下方への外力が作用しても、楔係合を利用して動力を消費せずに直動出力部材１０の位置を保持する事ができる。
【００４７】
また、図６（ｂ）において出力軸１ａが反時計方向に回転しようとすると、外周円筒面１ｂと各ローラ１７との間の摩擦力は各ローラ１７を隙間が増大する方向に押し出し楔係合状態は発生しない。つまり、出力軸１ａは反時計方向に自由に回転できる。出力軸１ａの反時計方向回転とナット部材９および直動出力部材１０の上方への直動運動が連動していることを考えれば、保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電されない状態では、回転駆動装置であるモータ１によって直動出力部材１０を外力に逆らって上方に直動駆動する事が可能である。
【００４８】
楔係合を利用して直動出力部材１０の位置を保持する事について、更に言及すれば、まず楔係合によって動きを止める部材である出力軸１ａは回転部材である。一般にネジ機構を利用して回転運動を直動運動に変換する場合、回転部材のトルクが小さくても直動部材には大きな推力が発生している。このことは、回転部材である出力軸１ａを小さなトルクで静止させることで大きな外力が作用している直動出力部材１０を保持することができることを意味している。したがって、楔係合部に発生する応力を比較的小さくでき、疲労寿命を延ばすことができる。
【００４９】
また、小歯車２の歯数が大歯車３の歯数より小さいので、楔係合によって動きを止める部材である出力軸１ａは同じ回転駆動経路の中の回転部材であるネジ軸４などに比べて、回転速度が大きく作用しているトルクが小さい。回転部材のなかでもより回転速度が大きい出力軸１ａを選んで楔係合によって動きを止めていることも、楔係合部に発生する応力を小さくして疲労寿命を延ばすことに寄与している。
【００５０】
更に、実際の楔係合は出力軸１ａの軸部よりも大きな径の外周円筒面１ｂに作用させている。これによって、楔係合が発生させなければならない保持トルクが同じであっても、楔係合が発生しなければならない緊迫力は小さくても良くなり、これも楔係合部に発生する応力を小さくして疲労寿命を延ばすことに寄与している。
【００５１】
最後に、斜面形成部材１５は中央ハウジン１３に対して非回転状態で拘束されているが、オルダムリング１６を介しているために軸直角面内で並進移動が可能である。このため、もし図６（ｂ）における３箇所の楔係合部の緊迫力に差がある場合、その反作用力として斜面形成部材１５に作用する３つの接触力は釣り合わず、斜面形成部材１５が不釣合い力によって軸直角面内で並進移動し、その結果、３箇所の楔係合部の緊迫力は均等化されるので楔係合部に発生する応力の最大値が大きくなるのを抑制できる。これも疲労寿命を延ばすことに寄与している。
【００５２】
フェールセーフという観点から見ると、図６のように保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電されない状態では、直動出力部材１０に下方への移動を阻止して現状位置を保持する状態になるので、電源が遮断された故障時に大きな外力や重量物を支持していた直動出力部材１０が制御不能な状態で降下するのを確実に防止できる。つまりフェールセーフが確保できる。
【００５３】
図７においては、保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電されプランジャ２０ａが磁気吸引力によって図７（ａ）の左方向に移動し、ローラ保持器１９を反時計方向に回転駆動している。この時は、図７（ｂ）において各ローラ１７に隣接しているローラ保持器１９の一部は図中のＦ部に示されるように各ローラ１７に接触し、これを半径方向隙間の増大する反時計方向に押し出している。これによって、各ローラ１７は外周円筒面１ｂと傾斜面１５ｂの両方に挟まれて楔係合をすることができなくなる。このとき、出力軸１ａが時計回転方向に回転して外周円筒面１ｂと各ローラ１７との間の摩擦力が各ローラ１７を隙間が減少する方向に引き込まれようとするのを、ローラ保持器１９が邪魔をしている。この結果、出力軸１ａは、楔係合によって阻止されることなく、時計回転方向に自由に回転することができる。
【００５４】
前述したとおり、出力軸１ａの図７（ｂ）における時計回転方向と直動出力部材１０の下方への移動が連動しているため、保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルへの通電によって図７の状態が維持されていれば、外力によって直動出力部材１０を下方へ駆動して回転駆動経路を逆に回転駆動し、回転駆動装置であるモータ１を発電機として駆動して動力回生を行う事ができる。
【００５５】
本実施例では転がり接触により摩擦抵抗を小さくしたネジ機構を回転−直動変換機構として採用しており、上記の動力回生時においても回転−直動変換機構における逆効率が高く、動力回生効率も高い値が確保できる。
【００５６】
なお、図６の状態にある時に、保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電して図７の状態に変えようとする際には、図６（ｂ）のように外周円筒面１ｂと傾斜面１５ｂに挟まれて緊迫力の作用している各ローラ１７を、保持器制御ソレノイド２０の磁気吸引力を駆動力としてローラ保持器１９によって押し出さなければならない。
【００５７】
緊迫力の大きさに連動した摩擦抵抗によって、上記ローラ１７の押し出しができなくなる事が懸念されるので、動力回生モードに切り替える際に例えば次の手順で切り替えることを推奨する。
【００５８】
すなわち、モータ１を本来の回転駆動装置として機能させ図６（ｂ）の出力軸１ａに反時計方向の回転駆動トルクを作用させる。このトルクによって外力が出力軸１ａを時計方向に回転駆動しようとするトルクを相殺する。これによって、図６（ｂ）の各ローラ１７に作用している緊迫力と摩擦抵抗を減少させる。モータ１の回転駆動トルクが十分大きくなり、上記摩擦抵抗が十分小さいかゼロになった時点で保持器制御ソレノイド２０の励磁コイルに通電する。各ローラ１７に作用している緊迫力により摩擦抵抗がなくなれば、それらを押し出すのに必要な力はほぼ付勢バネ１８による付勢力だけでよいので、保持器制御ソレノイド２０の磁気吸引力を駆動力としてローラ保持器１９でローラ１７を押し出す。その後、モータ１の回転駆動トルクを低下させ、外力による駆動トルクで出力軸１ａが逆転しだすことで動力回生を開始する。
【００５９】
なお、上記の一連の手順の間に電源などがダウンしても、必ず図６（ｂ）の状態に回帰して直動出力部材１０の下方への移動が止められので、フェールセーフ性は保たれる。
【００６０】
本実施例として説明したリニアアクチュエータの適応例について説明する。図８は適応例の一つとして荷物を運搬する作業装置であるフォークリフトに適用した例を示す。フォークリフトの本体１００にマスト１０１が取り付けられている。マスト１０１に付設される荷物昇降部１０２は、リフトブラケット（図示せず）を介してマスト５の内枠に昇降自在に取り付けられる保持枠１０３と、保持枠１０３に取り付けられる一対のフォーク１０４とを有している。上述の実施例で説明したリニアアクチュエータ１０５は、例えばマスト１０１の運転席側に設けることができる。
【００６１】
リニアアクチュエータ１０５は、荷物昇降部１０２を上昇させて停止させたとき、その昇降位置を保持するために何ら動力を必要としない。また、加工させる際には前述のように外力による駆動トルクで内部の出力軸が逆転して動力回生を行うことができる。
【００６２】
したがって、本実施例におけるリニアアクチュエータを備えたフォークリフトは、荷物を上昇させて特定の位置に停止させ保持するためにエネルギーを必要とせず、上昇させて保持していた荷物を加工させる際にはエネルギーを有効的に回収することが可能な電動フォークリフトを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施例におけるリニアアクチュエータ全体構成の側断面図。
【図２】図１におけるＡ部の部分拡大図。
【図３】図２におけるＢ−Ｂ断面図。
【図４】図２におけるＣ−Ｃ断面図。
【図５】図２におけるＤ−Ｄ断面図。
【図６】本実施例におけるワンウェイ機構部が機能して回転駆動系の逆転ができない状態の説明図。
【図７】本実施例におけるワンウェイ機構部の機能が阻止されていて回転駆動系の逆転も可能になった状態の説明図。
【図８】図１に示すリニアアクチュエータを適用した一例を説明する図。
【符号の説明】
【００６４】
１ モータ
１ａ 出力軸
１ｂ 外周円筒面
２ 小歯車
３ 大歯車
４ ネジ軸
５，６ ラジアル軸受
７ スラスト軸受
８ 下部ハウジング
９ ナット部材
１０，１１ 直動出力部材
１２ 連結部材
１３ 中央ハウジング
１３ａ，１５ａ キー溝部
１４ 上部ハウジング
１４ａ 内周面
１５ 斜面形成部材
１５ｂ 傾斜面
１６ オルダムリング
１６ａ，１６ｂ キー部
１７ ローラ
１８ 付勢バネ
１９ ローラ保持器
１９ａ 保持器アーム部
２０ 保持器制御ソレノイド
２０ａ プランジャ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動装置によって回転駆動経路の回転部材を回転駆動し、その回転運動を回転−直動変換機構によって直動部材の直動運動に変換し、その直動運動によって外部に対して仕事を行うリニアアクチュエータにおいて、上記回転駆動経路の回転部材が非回転部材に対して回転駆動方向に回転するのを許容しその逆方向に回転するのを楔係合によって阻止するワンウェイ機構を有し、そのワンウェイ機構は回転部材の上記逆方向回転も許容する状態に切り替える機能を有した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に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構は、回転部材と非回転部材のいずれか一方の外周面と他方の内周面との間に円周方向の一方に向かって減少する隙間分布を形成し、その隙間に転動体を楔部材として組み込んで弾性手段によって前記隙間の減少する方向に付勢したワンウェイ機構であり、楔部材の円周方向に隣接させて配置した保持部材とこれを外部からの指令によって円周方向に駆動する駆動手段を有し、前記楔部材を前記保持部材によって前記弾性手段による付勢方向と逆方向に押し出して楔係合を阻止しワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転も許容する状態とすることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構は、外部から能動的に動力を供給しない状態では回転部材が非回転部材に対して回転駆動方向と逆方向に回転するのを阻止し、外部から能動的に動力を供給して逆方向回転も許容する状態とするワンウェイ機構であ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に記載のリニアアクチュエータにおいて、直動部材の直動運動による外部仕事の少なくとも一部は、位置エネルギーや弾性エネルギーなどの形態で保存されるエネルギーであり、回転−直動変換機構は、螺旋状の凹凸溝を形成したネジ部材と、このネジ部材とネジ対偶によって連結されたナット部材とを構成要素に持ち、該ネジ部材とナット部材の接触部が転がり接触する回転−直動変換機構であり、ワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転を許容して動力回生を行うことを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構が楔係合によって回転を阻止する回転部材は他の部分より径の大きな部分を有し、この部分と非回転部材との間に円周方向の一方に向かって減少する隙間分布を形成し、その隙間に転動体を楔部材として組み込んで弾性手段によって前記隙間の減少する方向に付勢した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２ないし請求項４に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構が楔係合によって回転を阻止する回転部材は、回転駆動経路において最も回転速度（角速度）の大きな回転部材であることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項７】
請求項２に記載のリニアアクチュエータにおいて、転動体を楔部材とする楔係合機構を円周方向に複数配置し、ワンウェイ機構における非回転部材の軸直角面内での並進運動を可能とし、軸回りの回転はできないように拘束したことを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項８】
請求項４に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転を許容する状態にして動力回生を開始する際に、一旦、回転駆動装置が回転駆動トルクを発生している状態にし、その状態においてワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転を許容する状態に切り替え、その後に回転駆動装置の回転駆動トルクを減少させて動力回生を開始することを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項９】
車両本体と、荷物昇降部が付設されるマストと、を備えた作業機械において、前記荷物昇降部を昇降させるリニアアクチュエータと、このリニアアクチュエータを駆動させる回転駆動装置とを有し、前記リニアアクチュエータは、前記回転駆動装置によって回転駆動する回転部材の回転運動を直動運動に変換する回転−直動変換機構と、前記回転部材が非回転部材に対して回転駆動方向に回転するのを許容しその逆方向に回転するのを楔係合によって阻止するワンウェイ機構とを有し、このワンウェイ機構は回転部材の上記逆方向回転も許容する状態に切り替える切り替え機能を有することを特徴とする作業機械。
【請求項１】
回転駆動装置によって回転駆動経路の回転部材を回転駆動し、その回転運動を回転−直動変換機構によって直動部材の直動運動に変換し、その直動運動によって外部に対して仕事を行うリニアアクチュエータにおいて、上記回転駆動経路の回転部材が非回転部材に対して回転駆動方向に回転するのを許容しその逆方向に回転するのを楔係合によって阻止するワンウェイ機構を有し、そのワンウェイ機構は回転部材の上記逆方向回転も許容する状態に切り替える機能を有した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に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構は、回転部材と非回転部材のいずれか一方の外周面と他方の内周面との間に円周方向の一方に向かって減少する隙間分布を形成し、その隙間に転動体を楔部材として組み込んで弾性手段によって前記隙間の減少する方向に付勢したワンウェイ機構であり、楔部材の円周方向に隣接させて配置した保持部材とこれを外部からの指令によって円周方向に駆動する駆動手段を有し、前記楔部材を前記保持部材によって前記弾性手段による付勢方向と逆方向に押し出して楔係合を阻止しワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転も許容する状態とすることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構は、外部から能動的に動力を供給しない状態では回転部材が非回転部材に対して回転駆動方向と逆方向に回転するのを阻止し、外部から能動的に動力を供給して逆方向回転も許容する状態とするワンウェイ機構であ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に記載のリニアアクチュエータにおいて、直動部材の直動運動による外部仕事の少なくとも一部は、位置エネルギーや弾性エネルギーなどの形態で保存されるエネルギーであり、回転−直動変換機構は、螺旋状の凹凸溝を形成したネジ部材と、このネジ部材とネジ対偶によって連結されたナット部材とを構成要素に持ち、該ネジ部材とナット部材の接触部が転がり接触する回転−直動変換機構であり、ワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転を許容して動力回生を行うことを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構が楔係合によって回転を阻止する回転部材は他の部分より径の大きな部分を有し、この部分と非回転部材との間に円周方向の一方に向かって減少する隙間分布を形成し、その隙間に転動体を楔部材として組み込んで弾性手段によって前記隙間の減少する方向に付勢した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２ないし請求項４に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構が楔係合によって回転を阻止する回転部材は、回転駆動経路において最も回転速度（角速度）の大きな回転部材であることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項７】
請求項２に記載のリニアアクチュエータにおいて、転動体を楔部材とする楔係合機構を円周方向に複数配置し、ワンウェイ機構における非回転部材の軸直角面内での並進運動を可能とし、軸回りの回転はできないように拘束したことを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項８】
請求項４に記載のリニアアクチュエータにおいて、ワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転を許容する状態にして動力回生を開始する際に、一旦、回転駆動装置が回転駆動トルクを発生している状態にし、その状態においてワンウェイ機構が回転部材の逆方向回転を許容する状態に切り替え、その後に回転駆動装置の回転駆動トルクを減少させて動力回生を開始することを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項９】
車両本体と、荷物昇降部が付設されるマストと、を備えた作業機械において、前記荷物昇降部を昇降させるリニアアクチュエータと、このリニアアクチュエータを駆動させる回転駆動装置とを有し、前記リニアアクチュエータは、前記回転駆動装置によって回転駆動する回転部材の回転運動を直動運動に変換する回転−直動変換機構と、前記回転部材が非回転部材に対して回転駆動方向に回転するのを許容しその逆方向に回転するのを楔係合によって阻止するワンウェイ機構とを有し、このワンウェイ機構は回転部材の上記逆方向回転も許容する状態に切り替える切り替え機能を有することを特徴とする作業機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１１２４０９（Ｐ２０１０−１１２４０９Ａ）
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８３８３５（Ｐ２００８−２８３８３５）
【出願日】平成２０年１１月５日（２００８．１１．５）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月５日（２００８．１１．５）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
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