JP2013029189A - 安全増力電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】ワークに到達するまでは小さな駆動力で進み、ワーク到達後は大きな駆動力に自動的に切り換わる増力電動アクチュエータにおいて、ワークに到達する前に手などワーク以外の物に当たった時には安全のため大きな駆動力に切り換ることを防止した安全増力電動アクチュエータ。
【解決手段】電動モータ１の回転軸１１と、ボールねじにより電動モータ１の回転を直進運動する直進運動体５３との間に減速歯車機構２を配設し、直進中に直進運動体５３の先端ねじ５４がワークＷに当たると高速用クラッチ板３１から低速用クラッチ板３２に自動的に切り換わるクラッチ機能と、ワークＷに到達する前に手などワーク以外の物に当たった時はロックガイド６３とリンクベース押え６５の凹部に包蔵されたロックベアリング６６によりロックされ、高速用クラッチ板３１から低速用クラッチ板３２に切り換わらないロック機能を有するクラッチ機構３が配設された。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータの回転駆動力を直進運動に変換し、直進ストローク途中のワークに到達と同時に作動力を増大させる電動アクチュエータにおいてワークに到達する前に手などワーク以外の物に当たった時には安全のため作動力を増大させることのない安全増力電動アクチュエータに関するものである。

本発明者はワークのカシメ工程、圧入工程においてワークに到達するまでのストロークは小さな作動力で、ワーク到達後大きな作動力に自動的に切り換わる増力電動アクチュエータに関して、既に、特願２０１０−３４０７２により提案した。この増力電動アクチュエータはアクチュエータ本体の内部にボールねじ軸の回転によりボールねじ軸に噛み合うナットが固定された直進運動体を配設し、ボールねじ軸と電動モータの回転軸との間に歯数の異なる歯車を組み合わせた減速歯車機構を構成し、更に、減速歯車機構とアクチュエータ本体の直進運動体のナットに噛み合ったボールねじ軸との間には直進運動中の直進運動体の先端部がワークに当たると高速用クラッチ板から低速用クラッチ板に自動的に切り換わるクラッチ機構が配設された構造で、ワークに当たる前は高速、低出力で進み、ワークに当たると同時に、低速、高出力に切り換わり、カシメ、圧入作業を行なうことができる。

しかし、特願２０１０−３４０７２によると、ワークのカシメ工程、圧入工程において、ワークを人の手などによりカシメ機、圧入機に投入する場合、増力電動アクチュエータの直進運動体の先端部が手に当たってもワークと認識して、自動的に高出力に切換る問題があるため、直進運動体の先端部がワークに到達する前にワーク以外の物に当たった時に作動力を増大させない増力電動アクチュエータが要求されている。

本発明は上述の課題を解決するものであり、電動モータの回転駆動力を直進運動に変換して用いる電動アクチュエータであって、直進ストローク途中のワークに到達すると同時に作動力が増大される増力電動アクチュエータにおいてワークに到達する前に手などワーク以外の物に当たった時には安全のため作動力を増大させることのない安全増力電動アクチュエータを提供することを目的とする。

このために本発明の請求項１の安全増力電動アクチュエータはアクチュエータ本体の内部にボールねじ軸の回転によりボールねじ軸に噛み合うナットが固定された直進運動体を配設し、ボールねじ軸と電動モータの回転軸との間に減速歯車機構を構成し、更に、減速歯車機構とアクチュエータ本体の直進運動体のナットに噛み合ったボールねじ軸との間には直進運動中の直進運動体の先端部がワークに当たると高速用クラッチ板から低速用クラッチ板に自動的に切り換わるクラッチ機能部を有し、更に、直進運動体の先端部がワークの位置、即ち、既定の位置に到達する前に手などワーク以外の物に当たった時には安全のため、高速用クラッチ板から低速用クラッチ板に切り換わらないようにクラッチの切換え部をロックベアリングでロックできるロック機能部を有するクラッチ機構が配設されている。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の安全増力電動アクチュエータであって、クラッチ機構のクラッチ機能部の構成がボールねじ軸にリンクベースが固定され、リンクベースには複数のジョイントリンクがボールねじ軸心に向かって揺動可能に揺動軸により連結され、更に、引張スプリングがジョイントリンク間に配設されて、引張スプリングの引張力によりジョイントリンクは高速用クラッチ板に摩擦力により連結されている。更に、直進運動体が直進し、既定の位置まで到達していない間は直進運動体の先端部に運動方向に対する抵抗負荷が生じても、揺動軸が固定されたリングベースがモータ側に移動し、ジョイントリンクが広がって低速用クラッチ板に切り換わらないようにロックベアリングでロックし、既定の位置に到達すると共に、リングベース押えの凹部内でロックしていたロックベアリングをロックガイドに配設した凹部に取り込んでロックを解除できることにより、既定の位置到達後、直進運動体の先端部に運動方向に対して抵抗負荷が生じると、ジョイントリンクが揺動軸を支点に広がり、高速用クラッチ板を離脱し、減速歯車機構と一体となった低速用クラッチ板に摩擦力により連結されるように構成されている。

請求項３に記載の発明は、請求項１、請求項２記載の安全増力電動アクチュエータであって、クラッチ機構のジョイントリンクの先端形状がＲ形状となっており、高速用クラッチ板は円筒形状でジョイントリンクとの連結側にはスムースに低速用クラッチ板に切り換えるためのテーパを構成した円錐形状のフランジ部が配設されている。

請求項４に記載の発明はアクチュエータ本体のエンドカバーに固定されたケース板のエンドカバー近傍に位置検出スイッチが配設され、直進運動体の先端部に固定された直進運動体と平行に移動するロックガイドの上部には挟まれ検出スイッチが配設され、更に、位置検出スイッチと挟まれスイッチをＯＮ，ＯＦＦする検出ドグがボールねじのナットが挿通するチューブ外径の外側よりナットに固定され、直進運動体の先端部がワーク位置に到達した時は、位置検出スイッチが検出ドグに当接しＯＮ状態となり、ロックベアリングはロックガイドの凹部に取り込まれ、ロック状態が解除され、低速用クラッチ板に切り換わるが、直進運動体の先端部がワーク位置到達前に手などワーク以外の物に当たった時は、位置検出スイッチがＯＦＦ状態で先端ねじと直進運動体との間のスプリングを圧縮して、挟まれスイッチが検出ドグより離れ、ＯＦＦ状態となった時は、電動モータを逆転させて、直進運動体を後退させることができる。

上記のように請求項１の安全増力電動アクチュエータによれば、電動モータの回転軸とボールねじ軸との間に減速歯車機構が配設され、ボールねじ軸の回転により直進する直進運動体の先端部がワークに当接すると同時に高速用クラッチ板から低速用クラッチ板に切り換わるクラッチ機能部とワークの位置、即ち、既定の位置に到達する前に手などワーク以外の物に当たった時には安全のため、高速用クラッチ板から低速用クラッチ板に切り換わらないように、クラッチ切換え部をロックベアリングでロックできるロック機能部を有するクラッチ機構が連結されていることでワーク到達までは高速、低出力で進み、安全のため手などワーク以外の物に当接したときにもクラッチが切換らないようにロックし、ワーク到達後にはクラッチ切り換え部のロックが解除され、ワークに当接と同時にクラッチが高速、低出力から低速、高出力に切り換わるため安全で、省エネルギーが可能となる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１の安全増力電動アクチュエータのクラッチ機構が高速用クラッチ板と低速用クラッチ板の切り換えをするクラッチ機能部とクラッチの切り換え部をロックするロック機能部を有し、クラッチ機能部はボールねじ軸に固定されたリンクベースに複数のジョイントリンクがリンクベースの揺動軸を支点にボールねじ軸芯に向かって揺動可能に連結され、ジョイントリンクの他端は各ジョイントリンク間の略中央に取り付けられた引張スプリングにより電動モータの回転軸に連結された高速用クラッチ板に摩擦力により連結されているためボールねじ軸の回転により直進する直進運動体の先端部にワークがない場合は高速、低出力で直進でき、直進運動体の先端部にワークが当接すると直進運動体は直進できなくなり、電動モータの回転によりボールねじ軸と固定されたリンクベースが後退し、リンクベースに取り付けられたジョイントリンクは引張スプリングのスプリング力に打ち勝ってジョイントリンクはボールねじの軸芯に対して外側に移動し、高速用クラッチ板を離脱し、自動的に低速用クラッチ板に摩擦力により連結し、低速、高出力が可能となり、ロック機能部は直進運動体の先端部近傍に直進運動体と平行に移動するガイドロッドが連結され、更に、ガイドロッドのクラッチ機構側にロックガイドが連結され、ロックガイドに対向する位置に、リンクベースに当接して移動するリンクベース押えが配設され、更に、リンクベース押えの長手方向略中央部にはロックベアリングを包蔵する凹部を有し、ワーク位置到達前までは直進運動体の先端部に運動方向に対する抵抗負荷が生じても、ロックベアリングにより揺動軸が固定されたリングベースがモータ側に移動して、ジョイントリンクが広がらないようにロックすることができるため、手などワーク以外の物に当たっても低速、高出力に切り換ることがなく挟まれ防止が可能となる。

請求項３記載の発明によれば、請請求項２記載の安全増力電動アクチュエータであって、クラッチ機構のジョイントリンクの先端形状がＲ形状となっているため高速用クラッチ板の円筒形状を傷をつけることなくスムースに連結でき、更に、高速用クラッチ板のジョイントリンクとの連結側にはテーパを構成した円錐形状のフランジ部が配設されているため、直進運動体の先端部にワークが当接したとき、ジョイントリンクのＲ形状部がテーパ部を滑り、スムーズに低速用クラッチ板に切り換えることが可能となる。

請求項４記載の発明によれば、アクチュエータ本体のエンドカバーに固定されたケース板のエンドカバー近傍に直進運動体の先端部がワークに当接すると当接を検出できる位置検出スイッチが配設され、直進運動体の先端部に固定され、先端部と平行に移動するガイドロッドの上部に挟まれ検出スイッチが配設され、位置検出スイッチと挟まれスイッチＯＮ，ＯＦＦする検出ドグがボールねじのナットが挿通するチューブ外径の外側よりナットに固定され、挟まれスイッチは直進運動体が移動開始よりＯＮ状態で直進し、ワーク位置に到達した時は、位置検出スイッチも検出ドグに当接してＯＮ状態になり、ロック状態が解除され、クラッチが切り換わり、低速、高出力が可能にできる。しかし、ワーク位置到達前に手などワーク以外の物に当たった時は、位置検出スイッチが検出ドグに当接する前に物に当たり、先端部と直進運動体との間の弱いばねを圧縮して、挟まれスイッチが検出ドグより離れて、ＯＦＦ状態となり、ワークに当接していない状態で物が挟まれていることが検出されるため、電動モータを逆転させて、直進運動体を後退させることができる。

以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の増力電動アクチュエータのワークに当たる手前の高速低出力駆動状態の正面断面図を示し、図２は低速高出力駆動状態の正面断面図を示している。この増力電動アクチュエータのアクチュエータ本体５はエンドカバー５５と中間カバー５６の間にチューブ５７をボルト（図示せず）で固定し、アクチュエータ本体５の内部にはボールねじのナット５２と一体固定した直進運動体５３が一体となってチューブ５７の内部をスライド可能に挿入され、直進運動体５３の下側先端には直進運動体５３との間にスプリング５９を介して先端ねじ５４がエンドカバー５５から下方向に突出している。ナット５２の内側にはナット５２のねじに噛み合ったボールねじ軸５１が直進運動体５３の内径部を回転および直進できるように挿入され、更に、ボールねじ軸５１の上側端部と電動モータ１の回転軸１１との間には減速歯車機構２が配設され、更に、直進運動体５３の先端ねじ５４がワークＷに当接する前に手などワーク以外の物に当たった時にはリングベース押え６５の凹部６５ａに包蔵されたロックベアリング６６がリンクベース押え６５に対向するロックガイド６３の間でクラッチの切り換えをロックし、ワーク到達まで物に当たらない時はロックガイド６３の上部に配設された凹部６３ａによりロックベアリング６６をリンクベース押え６５の凹部６５ａより取り出して、直進運動体５３の先端ねじ５４がワークＷに当たると高速用クラッチ板３１から低速用クラッチ板３２に切換わるクラッチ機構３が配設されている。

次に、上記構成の安全増力電動アクチュエータの動作を説明する。電動モータ１への電気の投入を切換えて、回転軸１１を電動モータ１の上側より見て右回転、左回転させることにより、ボールねじ軸５１は減速歯車機構２とクラッチ機構３を介して高速、または低速で電動モータ１と同一方向に回転する。ボールねじ軸５１に噛み合ったナット５２と一体固定された直進移動体５３は電動モータ１が右回転するとボールねじにより上方向に直進し、電動モータ１が左回転すると下方向に直進し、直動運動体５３と一体となった先端ねじ５４もエンドカバー５５より下方向に突出して直進する。このとき、先端ねじ５４がワークＷに当たるまでは、電動モータ１の回転軸１１と連結された高速用クラッチ板３１が引張スプリング３３の引張力によりジョイントリンク３４が高速用クラッチ板３１との間に発生する摩擦力により連結し、高速低出力で直進する。

直進運動体５３と一体となった先端ねじ５４が下方向に直進し、ワークＷに当たるとリンクベース３５を押えているリンクベース押え６５が凹部６５ａに包蔵されたロックベアリング６６がロックガイド６３の凹部６３ａに入り込んで、リンクベース３５とリンクベース押え６５はロックベアリング止め板６７で止められることなく、一体となって移動できるため、直進運動体５３はワークに当たり停止するが、電動モータ１は回転し続けるためボールねじ軸５１が後退し、ボールねじ軸５１と一体固定されたリンクベース３５はリンクベース押え６５と共に、リンクベース３５に連結されたジョイントリンク３４の揺動軸３６も後退し、ジョイントリンク３４は引張スプリング３３の引張力に打ち勝って高速用クラッチ板３１を離れて低速用クラッチ板３２のジョイントリンク受け部３２ａまで広がり低速用クラッチ板３２と連結する。しかし、ワークＷに到達する前に手などワーク以外の物に当接すると、リンクベース３５を押えているリンクベース押え６５の凹部に包蔵されたロックベアリング６６がロックベアリング止め板６７によりロックされるため、リンクベース押え６５がモータ側に移動できないため、高速用クラッチ板３１から低速用クラッチ板３２に切り換わることができない。

次に、低速高出力作業後、電動モータ１を右回転すると、ジョイントリンク３４と低速クラッチ板３２の連結が解除され、引張スプリング３３の引張力によりボールねじ軸５１の軸心方向にジョイントリンク３４が揺動して高速用クラッチ板３１の円筒形状の外形部に連結し、高速低出力で直進運動体５３が右方向に直進する。

次に、第２の実施形態の安全増力電動アクチュエータを説明する。安全増力電動アクチュエータのクラッチ機構３のジョイントリンク３４の先端形状がＲ形状となっており、更に、高速用クラッチ板３１が円筒形状で上側端部には外形に広がるテーパ面を構成した円錐形状のフランジ部３１ａが形成されている。

次に、上記構成の安全増力電動アクチュエータの動作を説明する。電動モータ１への電気の投入を切換えて、回転軸１１を電動モータ１の上部より見て左回転すると先端ねじ５４がワークＷに当たるまではジョイントリンク３４が引張スプリング３３の引張力により引っ張られて、ジョイントリンク３４の先端のＲ形状部が高速用クラッチ板３１の円筒部外周に当たり、外周を傷つけることなく摩擦力により連結でき、直進運動体５３は下方向に直進できる。更に、直進移動体５３が直進し、先端ねじ５４がワークＷに当たり停止すると、ボールねじ軸５１が後退し、ジョイントリンク３４は揺動軸３６を支点として、引張スプリング３３の引張力に打ち勝って高速クラッチ板３１の円筒部から上方向に滑り、角度θのテーパ面を構成した円錐形状のフランジ部をスムースに滑りながら広がって高速クラッチ板３１から離れて低速用クラッチ板３２の凹形状のジョイント受け部３２ａまで広がり、図４に示すようにジョイントリンク３４の先端Ｒ部が摩擦力により連結できる。

次に、第３の実施形態の安全増力電動アクチュエータを説明する。図３、図４に示すようにアクチュエータ本体５のエンドカバー５５と一体となったケース板５８のエンドカバー５５近傍に位置検出スイッチ７２が取付けられ、ガイドロッド６２の上部には挟まれ検出スイッチ７１が取付けられ、更に、検出ドグ７３がチューブ５７の外径の外側よりボールねじ５１のナット５２に固定されている。

次に、上記構成の安全増力電動アクチュエータの動作を説明する。電動モータ１の回転により、直進運動体５３が直進し、ワークＷ到達前に先端ねじ５４が手などワーク以外の物に当たると位置検出スイッチ７２はＯＦＦの状態のままで、先端ねじ５４がスプリング力の弱いスプリング５９に打ち勝って連結されたロッドガイド６２と共にモータ側に移動する。この場合、ガイドロッド６２の上部に配置された挟まれ検出スイッチ７１が検出ドグ７３から離れＯＦＦとなるため、物が挟まれたことが検出できるため、電動モータ１を逆転させて直進運動体５３を戻すことができる。

本発明の実施例としては電動モータ［回転数Ｎ：２，４００ｒｐｍ、トルクＴ：４５０Ｎ・ｍｍ］を使用し、減速歯車機構としては減速比１／３０の遊星減速歯車を使用し、ボールねじ［リードＬ：２０ｍｍ］を採用し、モータ駆動することにより、高速低出力時と低速高出力時の直進駆動体の速度（Ｖ）と推力（Ｆ）は減速比Ｇとした時、理論値Ｖ＝（Ｌ×Ｎ／６０）×Ｇ（ｍｍ／ｓ）、Ｆ＝（２π×Ｔ／Ｌ）／Ｇ（Ｎ）となり、
高速低出力時：Ｇ＝１より
Ｖ＝（２０×２４００／６０）×１＝８００（ｍｍ／ｓ）
Ｆ＝（２π×４５０／２０）／１＝１４１（Ｎ）
低速高出力時：Ｇ＝１／３０
Ｖ＝８００×（１／３０）＝２７（ｍｍ／ｓ）
Ｆ＝１４１／（１／３０）＝４２３０（Ｎ）
更に、挟まれ検出に関しては、直進運動体のストロークを９０ｍｍとし、ワーク位置をストロークエンド手前１５ｍｍにセットして、それに合わせて位置検出スイッチ、挟まれ検出スイッチ、検出ドグを取り付けて実験した。
実験の結果、理論値とほぼ近似した値が得られた。

本発明の第１実施形態を示す安全増力電動アクチュエータの高速低出力駆動状態でワークに当たる手前の正面断面図 図１のワークに当たった後、高速用クラッチ板から低速用クラッチ板に切り換わり低速高出力駆動状態の正面断面図 本発明の第３実施形態を示す安全増力電動アクチュエータの高速低出力駆動状態で手などワーク以外の物に当たる手前の正面断面図 図３の手などワーク以外の物に当たった後、高速用クラッチ板から低速用クラッチ板への切り換えがロックされた正面断面図

１−電動モータ
２−減速歯車機構
３−クラッチ機構
５−アクチュエータ本体
１１−回転軸
３１−高速用クラッチ板
３１ａ−フランジ部
３２−低速用クラッチ板
３２ａ−ジョイントリンク受け部
３３−引張スプリング
３４−ジョイントリンク
３４ａ−Ｒ形状部
３５−リンクベース
３６−揺動軸
４１，４２−ベアリング
５１−ボールねじ軸
５２−ナット
５３−直進運動体
５４−先端ねじ
５５−エンドカバー
５６−中間カバー
５７−チューブ
５８−ケース板
５９−スプリング
６１−ジョイントプレート
６２−ガイドロッド
６３−ロックガイド
６３ａ，６５ａ−凹部
６４−押えベアリング
６５−リンクベース押え
６６−ロックベアリング
６７，６８−ロックベアリング止め板
７１−挟まれ検出スイッチ
７２−位置検出スイッチ
７３−検出ドグ

Claims (4)

1. 電動モータの回転運動をボールねじにより直進運動に変換するアクチュエータ本体と、該電動モータの回転軸と該ボールねじのボールねじ軸との間に、減速歯車機構を構成し、直進運動体の運動方向に対し、既定の位置に到達する前に抵抗負荷が生じたときは高速用クラッチ板から低速用クラッチ板に切り換わらないように、クラッチの切り換え部をロックベアリングでロックし、既定の位置に到達後、抵抗負荷が生じたとき、該クラッチの切り換え部の該ロックベアリングによるロックを解除し、自動的に該高速用クラッチ板から該低速用クラッチ板に切り換わるクラッチ機構を備えたことを特徴とする安全増力電動アクチュエータ。
2. クラッチ機構が高速用クラッチ板と低速用クラッチ板の切り換えをするクラッチ機能部とクラッチの切り換えをロックするロック機能部とを有し、クラッチ機能部は複数のジョイントリンクの一端がボールねじ軸の軸芯方向に揺動可能に連結され、該ジョイントリンク間は引張スプリングによりボールねじ軸の軸芯方向に引き合い、電動モータの回転軸と連結された高速用クラッチ板に摩擦力により連結するように配設され、直進運動体の先端部が既定の位置到達後、該直進運動体の先端部に運動方向に対する抵抗負荷が生じたとき、該ジョイントリンクの揺動軸が固定されたリンクベースが該電動モータ側に移動し、該ジョイントリンクが揺動軸を支点に広がり、該高速用クラッチ板を離脱し、減速歯車機構と一体となった該低速用クラッチ板に摩擦力により連結するクラッチ機能部と、該直進運動体の先端部が既定の位置まで到達していない間は該直進運動体の先端部に運動方向に対する抵抗負荷が生じても、該直進運動体の先端部近傍に平行に連結されたガイドロッドに固定されたロックガイドと該ロックガイドに対向する位置に配設されたリンクベース押えの凹部にロックベアリングを包蔵し、該リンクベース押えが該リンクベースを押え込んで移動できないように構成されたロック機能とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の安全増力電動アクチュエータ。
3. クラッチ機構のジョイントリンクの先端形状がＲ形状で、高速用クラッチ板は円筒形状で、該ジョイントリンクとの連結側に円錐形状となるテーパ面のフランジ部を有することを特徴とする請求項２に記載の安全増力電動アクチュエータ。
4. アクチュエータ本体のエンドカバー近傍に位置検出スイッチが配設され、ガイドロッドの上部には挟まれ検出スイッチが配設され、該位置検出スイッチと該挟まれ検出スイッチをＯＮ，ＯＦＦする検出ドグがチューブの外側よりボールねじのナットに固定され、直進運動体が直進し、該直進運動体の先端部がワークに当接した時、該位置検出スイッチが作動し、該ガイドロッドの上部の該挟まれ検出スイッチは該直進運動体が移動開始時よりスイッチＯＮ状態で進み、該位置検出スイッチがワークの位置に到達する前に物に当たると、該先端ねじと該直進運動体の間に配設された弱いばねを圧縮し、該挟まれ検出スイッチが該検出ドグから離れてスイッチが切り換わり、その信号を受けて電動モータを逆転させ、該直進運動体を後退させることを特徴とする請求項１，２，３記載の安全増力電動アクチュエータ。

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