駆動ユニット

【課題】早送り機能と軸方向荷重力を同時に満足しつつ、優れた位置決め精度を発揮できる新規な駆動ユニットの提供。
【解決手段】直線状のレール１０と、当該レール１０にスライド自在に係合される第１スライダ２０および第２スライダ３０と、当該第１スライダ２０と第２スライダ３０とを連結するトグル機構４０と、前記第１スライダ２０を前記レールに沿って駆動するボールネジ機構５０と、を備える。これによって、第２スライダ３０の早送り機能と軸方向荷重力を同時に満足しつつ、優れた位置決め精度を発揮できる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接ガンやプレス機、射出成型機などの高負荷機器用のアクチュエータとして適用することができる駆動ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スポット溶接ガンやプレス機、射出成型機などの高荷重（高負荷）が必要な機器には、高負荷発生用の駆動ユニットが備えられている。
例えば、以下の特許文献１に示すようなスポット溶接ガンや、特許文献２に示すような抵抗溶接機では、電極を備えたガンアームを被溶接物に移動・圧接させるための駆動ユニットとして、ボールネジ機構を用いた加圧駆動機構や電極駆動機構が用いられている。
【０００３】
また、以下の特許文献３に示すような射出成型装置では、一方の金型（移動金型）を他方の金型（固定金型）に近接・離間移動させるための駆動ユニットとして、スクリューナット機構（ボールネジ機構）に、倍力機構であるトグル機構を組み合わせた型締装置が用いられている。
【特許文献１】特開平１０−３４３４６号公報
【特許文献２】特開２０００−１７４５５号公報
【特許文献３】特開昭６０−１１２４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記特許文献１に示すようなボールネジ機構を用いた駆動ユニットの場合、ボールネジのリードが一定であるため、ガンアームを早送りをする区間と溶接をする区間（高負荷区間）とでそのガンアームの送り速度が同じになってしまうといった不都合がある。
すなわち、溶接ガンや抵抗溶接機は、電極と被溶接物が接しているときに最も大きな軸方向荷重が必要とされるから、ボールネジのリードはできるだけ小さい方がよい。また、リードを小さくすることによって小型のモータでも充分な軸方向荷重を発揮することができる。これに対し、溶接時以外は、電極を素早く移動させる必要があるため、ボールネジのリードはできるだけ大きい方が望ましい。
【０００５】
従って、リードが一定であるボールネジを用いた駆動ユニットでは、その駆動源として小型モータを用いた場合では、これらの相反する要求を満足することが困難であるため、高価な高性能（大型）モータを用意しなければならず、コストが高くなってしまうといった不都合がある。なお、このような問題は射出成型機の型締軸においても生じており、型の開閉においては早送り動作が必要とされるが、型締め時は大きな軸方向荷重が必要となってくる。
一方、前記特許文献３に示すような、スクリューナット機構にトグル機構を組み合わせた駆動ユニットの場合では、そのトグル機構の倍力作用によってそのトグル機構で支持された金型などの早送り機能と軸方向荷重力を同時に満足することが可能となる。
【０００６】
しかしながら、このような駆動ユニットでは、そのトグル機構がボールネジのねじれトルクによってねじれてしまい、位置決め精度が低いという問題がある。すなわち、例えばこのトグル機構を溶接ガンなどの倍力機構として使用した場合、そのリンクが完全に伸びきる前、つまりボールネジトルクが作用した状態で電極が被溶接物に接することになるため、電極の位置や角度がずれてしまうことがある。
そこで、本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、早送り機能と軸方向荷重力を同時に満足しつつ、優れた位置決め精度を発揮できる新規な駆動ユニットを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために第１の発明は、
直線状のレールと、当該レールにスライド自在に係合される第１および第２のスライダと、当該第１スライダと第２スライダとを連結するトグル機構と、前記第１スライダを前記レールに沿って駆動するボールネジ機構と、を備えたことを特徴とする駆動ユニットである。
このような構成によれば、第１スライダと第２スライダとを連結するトグル機構の倍力作用によって、第１スライダに対する第２スライダの早送り機能と軸方向荷重力を同時に満足することができる。
【０００８】
また、第１スライダと第２スライダがそれぞれ同じレールにスライド自在に係合されているため、第１スライダに発生したボールネジ機構のトルクがそのままトグル機構や第２スライダに伝わることがない。この結果、トグル機構や第２スライダが大きくねじれたりすることがなくなるため、優れた位置決め精度を発揮できる。また、第１スライダと第２スライダがそれぞれ同じレールを使用することで駆動ユニットをコンパクト且つ簡素に設計することができる。
【０００９】
また、第２の発明は、
第１の発明において、前記レールを、互いに平行に延びる一対のレール部材で構成すると共に、前記ボールネジ機構５０で駆動される前記第１スライダを前記レール部材間に架け渡すように配置したことを特徴とする駆動ユニットである。
このような構成によれば、第１スライダに発生したボールネジトルクを一対のレール部材で受けることができるため、ボールネジ機構のトルクによる、トグル機構や第２スライダのねじれをより確実に防止できる。
【００１０】
また、第３の発明は、
第１または第２の発明において、前記ボールネジ機構のネジ軸を前記レール部材と平行且つそのレール部材間の中央に配置すると共に、前記トグル機構を前記ネジ軸を境に左右対称構造としたことを特徴とする駆動ユニットである。
このような構成によれば、トグル機構がネジ軸と平行に伸縮するため、トグル機構が伸縮する際の軸方向位置誤差（幾何誤差）を皆無あるいは殆ど無くすことができる。
【００１１】
また、第４の発明は、
第１〜第３の発明において、前記レールと交差する方向に延び、かつその両端が前記トグル機構と連結するクロスアームを前記第２スライダにピン結合したことを特徴とする駆動ユニットである。
このような構成によれば、トグル機構が伸縮する際に軸方向位置誤差（幾何誤差）が発生した場合でも、その誤差を第２スライダのピン結合部で吸収することができる。この結果、トグル機構と第２スライダとの連結部分にモーメント力が発生することがなくなるため、より優れた位置決め精度を発揮できる。また、トグル機構や第２スライダに無理な力が加わることがなくなるため、摩耗や摩擦による寿命の低下を防止できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、直線状のレールに第１および第２のスライダをスライド自在に係合すると共に、これらスライダをトグル機構で連結し、第１スライダをボールネジ機構によって駆動するようにしたため、伸張初期〜中期区間では第２スライダを早送りできると共に、伸張終端区間では倍力作用により大きな軸方向荷重を発揮できる。また、ボールネジ機構によるねじれトルクによってトグル機構や第２スライダがねじれたりすることがなくなるため、優れた位置決め精度を発揮できる
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１〜図３は、本発明に係る駆動ユニット１００の実施の一形態を示したものであり、図１はこの駆動ユニット１００の平面図、図２はＡ−Ａ線断面図、図３は、部分拡大平面図である。
図示するようにこの駆動ユニット１００は、レール１０と、第１スライダ２０および第２のスライダ３０と、トグル機構４０と、ボールネジ機構５０とから主に構成されている。
【００１４】
先ず、レール１０は、断面矩形状をした１対のレール部材１１，１１を互いに平行かつ等間隔に配置すると共に、その両端を端板１５，１５で連結支持した構成となっている。
そして、図２に示すように、このレール部材１１，１１の内面（対向面）には、上下一組の円弧状溝１２，１２がその長手方向に沿って平行に形成されており、この円弧状溝１２，１２に沿ってそれぞれ複数のボールＢが転動するようになっている。
【００１５】
次に、第１スライダ２０および第２スライダ３０は、このレール１０のレール部材１１，１１間に位置する断面矩形状のスライダ本体２１の両側面に、それぞれ上下一対の循環路２２，２２を形成した構造となっている。
そして、この循環路２２に収容された複数のボールＢが、レール部材１１，１１側の円弧状溝１２，１２，１２，１２と循環路２２内を循環することで、レール１０に沿ってスライダ本体２１がその長手方向に沿ってスライド自在に係合している。
【００１６】
すなわち、このスライダ本体２１は、公知のリニアガイドのベアリング本体などと同様に、その両側面に４列の円弧状溝２３，２３，２３，２３がレール１０の長手方向に平行に設けられており、この円弧状溝２３，２３，２３，２３と、レール部材１１，１１側の円弧状溝１２，１２，１２，１２間をその長手方向に沿って転動しながら移動するようになっている。そして、このボールＢがスライダ本体２１の端部に達すると、このスライダ本体２１の端部に設けられたエンドキャップ（図示せず）の先端ですくい上げられ、この中に設けられた各曲線路２４、２４，２４，２４を通ってスライダ本体２１内に設けられた循環孔２５，２５，２５，２５と導かれる。やがて、これらボールＢは各循環孔２５，２５，２５，２５を通ってスライダ本体２１の他端部に達し、今度は反対側のエンドキャップ（図示せず）の曲線路（図示せず）に案内され、もとの円弧状溝２３，２３，２３，２３と円弧状溝１２，１２，１２，１２間に戻される。このようにして各ボールＢが循環路２２を無限循環することでスライダ本体２１をレール１０に係合しつつ、その長手方向にスムーズにスライド移動できるようになっている。
そして、さらにこれら第１スライダ２０および第２スライダ３０のうち、第１スライダ２０の内部中央には、後述するボールネジ機構５０のナット部材５１が一体的に設けられており、後述するボールネジ機構５０によって第１スライダ２０をレール１０に沿って往復移動するようになっている。
【００１７】
次に、トグル機構４０は、図１に示すように第１スライダ２０と第２スライダ３０とを連結するものであり、ベースリンク４１と、一対の第１リンク４２，４２と、一対の第２リンク４３，４３と、一対の第３リンク４４，４４とから構成されている。
ベースリンク４１は、前述したレール１０の一方の端板１５と一体的に形成されており、レール１０を挟むようにその長手方向に沿って延びる一対のアーム４１ａ、４１ａを備えた構成となっている。
【００１８】
第１リンク４２、４２は、それぞれその一端が、第１スライダ２０の上面に固定されクロスアーム２６の端部に回動自在にピン結合されると共に、その他端が、第２リンク４３、４３の中央部側に同じく回動自在にピン結合された構成となっている。
第２リンク４３、４３は、それぞれその一端が、ベースリンク４１のアーム４１ａ、４１ａ端部に回動自在にピン結合されると共に、その他端が、第３リンク４４、４４の端部に同じく回動自在にピン結合された構成となっている。
第３リンク４４、４４は、それぞれその一端が、第２リンク４３、４３の端部に回動自在にピン結合されると共に、その他端が、第２スライダ３０の上面に固定されクロスアーム３１の端部に同じく回動自在にピン結合された構成となっている。
そして、このトグル機構４０は、図１に示すようにレール１０の中心軸を境に左右対称構造となっている。
【００１９】
次に、ボールネジ機構５０は、前述したように第１スライダ２０の内部中央に設けられたナット部材５１と、レール１０の中心軸に位置するネジ軸５２と、正逆回転制御可能なサーボモータ５３とから主に構成されている。
ナット部材５１は、ネジ軸５２が貫通する貫通孔５１ａの内面に、螺旋状のネジ溝５１ｂを形成すると共に、そのネジ溝５１ｂの両端にリターンチューブ５１ｃを連結した構造となっている。また、このネジ溝５１ｂと、ネジ軸５２の表面に形成された螺旋状のネジ溝５２ａとで形成される螺旋状の通路内には、複数のボールＢが転動自在に収容されており、その通路の端部に達した複数のボールｂをリターンチューブ５１ｃを介して循環するようになっている。
【００２０】
ネジ軸５２は、第２スライダ３０側に位置する一端が、レール１０の端板１５側に軸支されると共に、第１スライダ２０側に端部が、ベースリンク４１を兼用するレール１０の端板１５側を貫通するように軸支されている。
サーボモータ５３は、このベースリンク４１を兼用するレール１０の端板１５側に固定されると共に、その回転軸５３ａがカップリング５４を介してネジ軸５２に連結された構成となっている。
【００２１】
そして、このサーボモータ５３によってネジ軸５２を回転させることで、これに螺合するナット部材５１が設けられた第１スライダ２０を、レール１０に沿って強制的に往復移動できるようになっている。なお、第２スライダ３０の中心部には、ネジ軸５２を単に貫通するための貫通孔（図示せず）が形成されており、第２スライダ３０とネジ軸５２とは互いに螺合しない構成となっている。
【００２２】
次に、このような構成をした駆動ユニット１００の作用及び効果を説明する。
図１に示すように、ボールネジ機構５０によって第１スライダ２０を第２スライダ３０（図中右方向）側に移動させると、第１スライダ２０のクロスアーム２６に、第１リンク４２，４２を介して接続された第２リンク４３，４３が、ベースリンク４１のアーム４１ａ、４１ａのピン結合部を軸としてレール１０から離れるように回動する。
すると、この第２リンク４３，４３の他端にピン結合された第２リンク４４，４４が第２スライダ３０のクロスアーム３１のピン結合部を軸としてレール１０から離れるように回動する。
【００２３】
これによって、第２スライダ３０がレール１０端部（図中右側）に移動すると共に、このトグル機構４０によって第１スライダ２０がレール１０端部（図中右側）に移動するに従ってその第１スライダ２０の移動量よりも第２スライダ３０の移動量が徐々に短くなる。
この結果、図３に示すように倍力作用が発揮されて第２スライダ３０に大きな軸方向荷重を発生させることができる。
【００２４】
図３は、この第２スライダ３０の移動量（ねじ送り量）と軸方向荷重との関係を示したものである。
図示するように、第１スライダ２０の移動量（ねじ送り量）が移動初期〜中期（早送り区間）までは、第２スライダ３０の軸方向荷重はあまり大きくないが、この早送り区間を過ぎてそのねじ送り量が最大になる伸張終期（倍力区間）に至ると、その軸方向荷重は一気に増大する。
【００２５】
従って、この移動ユニット１００を、例えば前述したスポット溶接ガンなどに適用し、第２スライダ３０に一方のガンアーム（電極）を取り付けるように構成すれば、第１スライダ２０の移動量（ねじ送り量）が一定であっても、早送り区間では、ガンアームを素早く移動することができると共に、負荷を受ける倍力区間ではその移動速度を低くしつつ軸方向荷重を大きくすることができる。これによって、効率的且つ良好な溶接作業を実現できる。
【００２６】
なお、図４は、このトグル機構４０による早送り機能と倍力機能の原理を示したものである。ここで、同図（Ａ）および（Ｂ）に示す、リンクの共通節点の位置を第１スライダ２０、その共通節点から下方に延びる矢印が第１スライダ２０の移動方向、リンク先端の幅（横）方向の移動距離を第２スライダ３０の軸方向荷重と仮定する。すると、同図（Ａ）に示すように共通節点が基準面よりも高い位置にあるときは、リンク同士の為す角度が小さいため、その共通節点がその位置から基準面方向に移動した時点では、にリンク先端の幅（横）方向の移動距離（第２スライダ３０の軸方向荷重）は大きい。しかしながら、同図（Ｂ）に示すように、さらにその共通節点が基準面方向に近づくと、共通節点の移動速度が同じであるにもかかわらず、リンク先端の幅（横）方向の移動距離（第２スライダ３０の軸方向荷重）が一気に小さくなる。このような原理によって本発明のトグル機構４０は、第２スライダ３０に対して早送り作用と倍力作用を発揮することができる。
【００２７】
また、本発明の駆動ユニット１００は、第１スライダ２０と第２スライダ３０がそれぞれ同じレール１０にスライド自在に係合されているため、第１スライダ２０に発生したボールネジ機構５０のトルクがそのままトグル機構４０や第２スライダ３０に伝わることがない。
従って、トグル機構４０や第２スライダ３０が大きくねじれたりすることがなくなるため、優れた位置決め精度を発揮できる。また、第１スライダ２０と第２スライダ３０がそれぞれ同じレール１０を使用することで全体をよりコンパクト且つ簡素に設計することができる。
【００２８】
また、このレール１０を、互いに平行に延びる一対のレール部材１１，１１で構成すると共に、ボールネジ機構５０で駆動される第１スライダ２０をそのレール部材１１，１１間に架け渡すように配置したため、第１スライダに発生したボールネジ機構５０によるトルクがこの一対のレール部材１１，１１で支持されることになる。この結果、ボールネジ機構５０のトルクによる、トグル機構４０や第２スライダ３０にねじれが伝わらなくなるため、これらのねじれによる位置誤差をより確実に防止できる。
【００２９】
また、本発明の駆動ユニット１００では、ボールネジ機構５０のネジ軸５２をレール部材１１，１１と平行且つそのレール部材１１，１１間の中央に配置すると共に、そのトグル機構４０をそのネジ軸５２を境に左右対称構造としている。
このため、トグル機構４０がネジ軸５２と平行に伸縮するため、トグル機構４０が伸縮する際の軸方向位置誤差（幾何誤差）を皆無あるいは殆ど無くすことができる。
【００３０】
ところで、前述したような構成をした駆動ユニット１００の場合、長期の使用による各部材の摩耗や各部材の加工精度、組立精度などに起因するトグル機構４０の各節点（ピン結合部）にガタ（誤差）が発生すると、例えば図５に示すようにそのガタの積算によって第２スライダ３０がネジ軸５２から大きくずれてしまうことが考えられる。
図５の例は、トグル機構４０の一部を構成する一対の第１リンク４２、４２のうち、一方（図中上方）の第１リンク４２のピン接合部（節点）にガタや誤差が生じて、これと連結する第２リンク４３と、ベースリンク４１のアーム４１ａおよびと第３リンク４４が直線状態にならず、この結果、第２スライダ３０の上面に固定されていたクロスアーム３１が傾いて第２スライダ３０の軸が大きくねじれてしまった状態を示したものである。
【００３１】
そこで、図７に示すように、第２スライダ３０の上面に固定されていたクロスアーム３１を第２スライダ３０から分離すると共に、そのクロスアーム３１の中心部を第２スライダ３０の中央部（ネジ軸５２上）にピン結合すれば、係る不都合を解消できる。
すなわち、図７に示すように、一方の第２リンク４３とベースリンク４１のアーム４１ａおよび第３リンク４４のみが直線状態にならないことにより、クロスアーム３１が傾いてしまった場合でも、その傾き（モーメント）がそのピン結合部で吸収されるため、第２スライダ３０の軸がねじれてしまうようなことがなくなる。その一方、トグル機構４０からクロスアーム３１に伝達してくる軸荷重力は、このピン結合部から第２スライダ３０に確実に伝達される。
【００３２】
従って、このような構成によれば、トグル機構４０が伸縮する際に軸方向位置誤差が発生した場合でも、そのまま第２スライダ３０にモーメント力が発生することがなくなるため、より優れた位置決め精度を発揮できる。また、トグル機構４０や第２スライダ３０に無理な力が加わることがなくなるため、摩耗や摩擦による寿命の低下を防止できる。
また、トグル機構４０の誤差は第１スライダ２０にも偏荷重として作用するが、この第１スライダ２０は、レール１０によってその回転が拘束されているため、ネジ軸５２などに偏荷重が作用しなくなり、ボールネジ機構５０の寿命低下も防止できる。
また、図８や図９に示すように、前述したレール１０を、汎用（公知）の直動案内装置（リニアガイド）６０で構成したり、ボールネジ機構５０を汎用（公知）のナット部材からなるボールネジ装置で構成すれば、より安価に本発明の駆動ユニット１００を得ることができる。
【００３３】
なお、図８は、前述したように第２スライダ３０にクロスアーム３１を一体的に備えた駆動ユニット１００を、また、図９は、第２スライダ３０にクロスアーム３１をピン結合部を介して備えた駆動ユニット１００を示したものである。
また、本発明の駆動ユニット１００を溶接ガンなどに適用する場合には、この駆動ユニット１００をコモンベースに取り付け、そのコモンベースにガンアームの一方を取り付けると共に、第２スライダ３０に他方のガンアームを取り付け、この他方のガンアームを前記一方のガンアームに対して近接・離間自在に駆動することになる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る駆動ユニット１００の実施の形態を示す平面図である。
【図２】図１中Ａ−Ａ線拡大断面図である。
【図３】第２スライダ３０のネジ送り量と軸方向荷重との関係を示すグラフ図である。
【図４】トグル機構４０の動作原理を示す概念図である。
【図５】トグル機構４０のガタなどにより第２スライダ３０がずれた状態を示す平面図である。
【図６】本発明に係る駆動ユニット１００の他の実施の形態（縮小時）を示す平面図である。
【図７】本発明に係る駆動ユニット１００の他の実施の形態（伸張時）を示す平面図である。
【図８】本発明に係る駆動ユニット１００の他の実施の形態（ピン結合部無し）を示す平面図である。
【図９】本発明に係る駆動ユニット１００の他の実施の形態（ピン結合部あり）を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１００…駆動ユニット
１０…レール
２０…第１スライダ
２６…クロスアーム
３０…第２スライダ
３１…クロスアーム
４０…トグル機構
４１…ベースリンク
４１ａ…ベースリンクアーム
４２…第１リンク部材
４３…第２リンク部材
４４…第３リンク部材
５０…ボールネジ機構

【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線状のレールと、当該レールにスライド自在に係合される第１および第２のスライダと、当該第１スライダと第２スライダとを連結するトグル機構と、前記第１スライダを前記レールに沿って駆動するボールネジ機構と、を備えたことを特徴とする駆動ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の駆動ユニットにおいて、
前記レールを、互いに平行に延びる一対のレール部材で構成すると共に、前記ボールネジ機構で駆動される前記第１スライダを前記レール部材間に架け渡すように配置したことを特徴とする駆動ユニット。
【請求項３】
請求項１または２に記載の駆動ユニットにおいて、
前記ボールネジ機構のネジ軸を前記レール部材と平行且つそのレール部材間の中央に配置すると共に、前記トグル機構を前記ネジ軸を境に左右対称構造としたことを特徴とする駆動ユニット。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の駆動ユニットにおいて、
前記レールと交差する方向に延びかつその両端が前記トグル機構と連結するクロスアームを前記第２スライダにピン結合したことを特徴とする駆動ユニット。

【図１】