WO2014013870A1

WO2014013870A1 - リニアアクチュエータ

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Publication number: WO2014013870A1
Application number: PCT/JP2013/068221
Authority: WO
Inventors: 中村　雅人; 雅紀井上; 正俊鈴木; 祐資田嶋; 悠太鈴木; 真也大木
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2015-01-18
Also published as: JP2014023277A; US9653964B2; KR20150036082A; TW201424205A; JP5675721B2; EP2876791A4; CN104471847A; US20150180306A1; EP2876791A1; TWI589099B

Description

リニアアクチュエータ

　本発明は、直線的な駆動形態を有するリニアアクチュエータに関し、特に、４極２ブラシ構成の電動モータを用いた送りねじ式のリニアアクチュエータに関する。

　医療・介護の分野では、患者や要介護者の寝食等の負担を軽減するため、ベッドの背ボトムや膝ボトムを傾斜・昇降可能に構成した電動式ベッドが広く使用されている。このような電動式ベッドでは、小型で大きな駆動力が得られることから、電動送りねじ式のリニアアクチュエータが用いられている。例えば、特許文献１には、ボールねじ機構を用いてピストンを伸縮させるリニアアクチュエータが記載されている。特許文献１のリニアアクチュエータでは、電動モータの回転をウォームとウォームホイールにて減速し、駆動シャフトに伝達する。駆動シャフトの回転は、ボールねじ機構によって直線運動に変換され、ピストンが伸縮する。特許文献１のリニアアクチュエータは、ベッドの背ボトムのリクライニングに使用され、ベッドのリンク機構に接続される。アクチュエータのピストンが伸びると、リンク機構が広がり、ベッドの背ボトムが起き上がって傾斜状態となる（図１（ｂ）参照）。また、ピストンが縮むと、リンク機構が畳まれ、背ボトムが水平位置に倒されてベッドが平面状態となる（図１（ａ）参照）。

特開2007-187279号公報特表2008-517570号公報特開平7-174204号公報特開2000-253618号公報特表2011-509381号公報特表2009-501503号公報

　一方、リニアアクチュエータには、小型・軽量化の要請が常に存在する。特に、電動式ベッドに用いられるリニアアクチュエータでは、利用者の利便性・安全性の観点からベッドの低床化が図られており、ボトム下に配置されるアクチュエータの小型化・薄型化が求められている。しかしながら、モータを小型化すると、その分、出力トルクが低下するため、従前と同様の駆動力を得るには、回転速度を上げて減速比を大きく設定する必要が生じる。ところが、減速比を大きくするには、減速機構部におけるウォームホイールの歯数を増やす必要がある。従って、歯数が増えた分、ウォームホイール外径が大きくなり、ベッド低床化には不利となるという問題が生じる。また、モータを高回転化すると、作動音が増大するという問題も生じる。

　そこで、モータをより高トルク化して小型化することが考えられるが、モータの高トルク化のためには、ヨークの外径か軸長の何れかを増加させなければならない。しかしながら、ヨーク外径を大きくしてしまうと、モータの大型化につながり、ベッド低床化に不利となる。また、ヨーク軸長を増加させると、アクチュエータの全長が大きくなり、レイアウト性が悪くなってしまうという問題が生じる。

　このように、リニアアクチュエータ、特に、電動式ベッドに用いられるリニアアクチュエータにおいては、作動音を増大させることなく、高トルクを発揮し得る小型のモータが求められている。

　本発明のリニアアクチュエータは、雄ねじ部を有するシャフトと、該シャフトにモータの回転を減速して伝達するウォーム及びウォームホイールと、前記雄ねじ部に螺合して前記シャフトの正逆回転によって進退するスクリューナットと、該スクリューナットに固定されてハウジングに対して進退するピストンチューブと、を備えてなるリニアアクチュエータであって、前記モータが、ヨーク内周面に固定された４極の界磁磁極と、電機子巻線が重巻にて巻装されたアーマチュアと、前記アーマチュアに配置され、前記電機子巻線が電気的に接続されたコンミテータと、略９０°間隔に配置され、前記コンミテータの表面に接触する２個のブラシと、前記コンミテータに接続され、前記電機子巻線を形成する複数のコイルと、前記コイルのうち等電位となるべきコイル間を接続する均圧線と、を有してなることを特徴とする。

　本発明にあっては、電動モータを用いた送りねじ式のリニアアクチュエータにおいて、その駆動源として、電機子巻線が重巻された均圧線付の４極２ブラシ構成のモータを採用する。これにより、モータが小型化され、従来のアクチュエータと同様の機能を発揮可能でありながら、リニアアクチュエータを小型化できる。

　前記リニアアクチュエータにおいて、前記２個のブラシは、例えば正極が上、負極が下のように、異なる極のブラシを上下の位置関係に配置するようにしても良い。これにより、長年の使用により摩耗粉が生じても、それが両ブラシ間に堆積せず、摩耗粉によってブラシ同士がショートしてしまうことを防止できる。

　また、前記ウォームとして、条数が２以上の多条ウォーム（例えば、２条のウォーム）を使用しても良い。これにより、ウォームの回転数を下げてもウォームホイールの回転数を従前同様に確保できる。従って、１条のウォームを使用する場合に比して、モータの回転数を下げることができ、その分、モータ作動時における作動音を抑制することが可能となる。

　本発明のリニアアクチュエータによれば、その駆動源であるモータとして、電機子巻線が重巻された４極２ブラシ構成のものを使用したので、従来のリニアアクチュエータに比してモータが小型化され、リニアアクチュエータの小型化が可能となる。従って、例えば、当該リニアアクチュエータを電動式ベッドに使用することにより、ベッドをより低床化することが可能となる。

本発明の一実施の形態であるリニアアクチュエータの使用状態を示す説明図である。図１のリニアアクチュエータの全体構造を示す平面図である。図１のリニアアクチュエータの正面図である。図２のＡ－Ａ線に沿った拡大断面図である。スクリューナットアダプタにて、スクリューナットとピストンチューブを固定する構成を示す説明図である。モータユニットの構成を示す断面図である。モータの構成を示す説明図である。モータの構成を示す説明図である。アーマチュアコイルの巻線状態を示す説明図である。動力伝達機構の構成を示す分解斜視図である。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。当該実施の形態の目的は、高トルクを発揮し得る小型のモータを備えたリニアアクチュエータを提供することにある。図１は本発明の一実施形態であるリニアアクチュエータ１の使用状態を示す説明図、図２はリニアアクチュエータ１の全体構造を示す平面図、図３は同正面図、図４は図２のＡ－Ａ線に沿った拡大断面図である。本発明によるリニアアクチュエータ１は、電動モータを用いた送りねじ式のアクチュエータである。リニアアクチュエータ１は、医療・介護用ベッド２（以下、ベッド２と略記する）の背部の寝床（背ボトム３）を起立・倒伏させるための駆動源として使用される。リニアアクチュエータ１は、ベッド２のフレーム４に取り付けられ、ベッド下に配置される。

　図２に示すように、リニアアクチュエータ１は、本体ハウジング５と、モータユニット６、及び、ピストンユニット７を備えている。リニアアクチュエータ１は、図１に示すように、本体ハウジング５が固定側、ピストンユニット７が自由端側となった状態でベッド２に取り付けられる。本体ハウジング５は、クレビス８を介してフレーム４に取り付けられる。クレビス８は、アクチュエータ支持軸９（以下、支持軸９と略記する）を中心として、フレーム４に対し回転自在に取り付けられている。ピストンユニット７には、ピストンチューブ１０が出没自在に取り付けられている。ピストンチューブ１０は、背ボトム３を起立・倒伏させるためのリンク１１に接続されている。ピストンチューブ１０は、リンク接続軸１２を中心として、リンク１１に対し回転自在に取り付けられている。

　図１（ａ）に示すように、ベッド２は、ピストンチューブ１０が縮んだ状態では、背ボトム３が水平に倒伏されている。一方、ピストンチューブ１０が伸びると、背ボトム３は、図１（ｂ）に示すように、背ボトム３は起立した状態となる。背ボトム３は、ピストンチューブ１０の伸長量に応じて起立傾斜角度が変化する。リニアアクチュエータ１を適宜制御することにより、背ボトム３は任意の角度にて停止・保持可能となっている。ベッドの使用者や介護者は、図示しないスイッチを操作することにより、背ボトム３を所望の角度に調整できる。

　図２,３に示すように、本体ハウジング５の側面には、動力源であるモータユニット６が取り付けられている。本体ハウジング５の図中右端側には、ピストンユニット７が取り付けられている。本体ハウジング５の図中左端側には、クレビス８が取り付けられている。クレビス８には、軸孔１３が設けられている。軸孔１３には、支持軸９が挿入される。クレビス８と支持軸９により、本体ハウジング５は、フレーム４に回転自在に取り付けられる。ピストンチューブ１０の先端部には、軸孔１４が設けられている。軸孔１４には、リンク接続軸１２が挿入される。リンク接続軸１２により、ピストンユニット７は、リンク１１に対し回転自在に取り付けられる。

　本体ハウジング５は直方体状に形成されている。図３に示すように、本体ハウジング５は、軸方向に沿って上下に二分割されている。本体ハウジング５の上側は第１ケース１５、下側は第２ケース１６となっている。本体ハウジング５は、第１及び第２ケース１５,１６を組み合わせた構造となっている。第１及び第２ケース１５,１６は共に合成樹脂にて形成されている。第１ケース１５と第２ケース１６は、ねじ１８によって締結されている。第１及び第２ケース１５,１６の円筒部には、金属製のフレームリング３７が装着されている。フレームリング３７が装着されているため、第１及び第２ケース１５,１６が分離することがない。クレビス８は、第１及び第２ケース１５,１６に挟み込まれる形でクレビス取付部１７に取り付けられている。クレビス８は、正方形状に形成されたフランジ部８ａを有している。クレビス取付部１７には、フランジ部８ａが挿入・挟持される。リニアアクチュエータ１では、フランジ部８ａの取付方向を変えることにより、軸孔１３を垂直方向・水平方向の何れにも設定でき、取付自由度が高くなっている。

　図４に示すように、本体ハウジング５内には、ピストンユニット収容部１９と機構収容部２０が設けられている。ピストンユニット収容部１９内には、ピストンユニット７の左端側が収容・固定されている。ピストンユニット７は、金属製の補強パイプ２２と、合成樹脂製の支持パイプ２３、及び、ピストンチューブ１０を有している。機構収容部２０には、モータユニット６からの回転動力をピストンチューブ１０に伝達するための動力伝達機構２１が収容されている。動力伝達機構２１は、ウォームホイール４１と、カップリング４２、クラッチケース４３、ワンウエイクラッチ４４（以下、クラッチ４４と略記する）、及び、ブレーキユニット４５を備えている。

　ピストンユニット７の補強パイプ２２は円筒状に形成されている。補強パイプ２２の一端側は、第１及び第２ケース１５,１６の間に挟み込まれる形で支持・固定されている。補強パイプ２２内には、円筒形の支持パイプ２３が挿入されている。支持パイプ２３の先端部には、合成樹脂製のプラグ２４が装着されている。プラグ２４の外側には、金属製のキャップ２５が取り付けられている。支持パイプ２３内には、円筒状に形成されたピストンチューブ１０とシャフト２６が収容されている。シャフト２６の左端部には、ベアリングアダプタ２７が取り付けられている。シャフト２６は、ベアリングアダプタ２７を介して、ベアリング２８に取り付けられる。ベアリング２８は、本体ハウジング５内に取り付けられている。シャフト２６は、ベアリング２８によって、本体ハウジング５内に回転自在に支持される。シャフト２６には、ベアリングアダプタ２７の抜け止めとして、ワッシャ７２及びナット７３が取り付けられている。

　シャフト２６には雄ねじ部２６ａが形成されている。雄ねじ部２６ａにはスクリューナット２９が取り付けられている。雄ねじ部２６ａの長さは、従来のアクチュエータと同様の長さになっている。従って、リニアアクチュエータ１は、アクチュエータとしては、従来と同様の機能（背ボトム３の起立・倒伏）を発揮し得る。スクリューナット２９の内側には、雄ねじ部２６ａと螺合する雌ねじ部３３が形成されている。スクリューナット２９は、シャフト２６の雄ねじ部２６ａに、進退自在に螺合装着される。

　図５に示すように、スクリューナット２９には、合成樹脂製のスクリューナットアダプタ３０（以下、アダプタ３０と略記する）が回り止めされた状態で取り付けられている。アダプタ３０のリング部３１内周には、凹部３１ａが形成されている。これに対し、スクリューナット２９の外周には凸部２９ａが形成されている。凸部２９ａを凹部３１ａに嵌合させることにより、スクリューナット２９の図中左端部にアダプタ３０が回り止め固定される。アダプタ３０には、爪部３２が軸方向に突出形成されている。爪部３２の先端には、突起３２ａが径方向内側に向けて突設されている。これに対し、ピストンチューブ１０の端部には貫通孔１０ａが形成されている。貫通孔１０ａに突起３２ａを嵌合させることにより、スクリューナット２９は、アダプタ３０を介して、ピストンチューブ１０に回り止めされた状態で接続される。爪部３２の基部には、嵌合溝３８が形成されている。嵌合溝３８は、支持パイプ２３の内周に形成され軸方向に延びる図示しない突条部３９と嵌合している。嵌合溝３８と突条部３９の嵌合により、アダプタ３０は、支持パイプ２３内に回り止めされた状態で、軸方向に移動自在に配置される。

　このように、本発明のリニアアクチュエータ１では、アダプタ３０によってピストンチューブ１０とスクリューナット２９を連結している。このため、従来のアクチュエータのようなネジとピンを用いた締結構造と異なり、スクリューナットの端面からネジ等が飛び出ない。この結果、スクリューナット２９と動力伝達機構２１（ウオームホイール４１等）との間の距離を短くでき、装置全体の長さを短縮できる。従って、本発明によるリニアアクチュエータ１によれば、装置を小型化しつつ、ピストンストロークを従来装置と同等に維持できる。

　シャフト２６の回転に伴って、スクリューナット２９とピストンチューブ１０は一体となって軸方向に移動する。ここでは、ピストンチューブ１０が伸びる（前進する）方向にシャフト２６が回転する場合を「正回転」と称する。また、ピストンチューブ１０が縮む（後退する）方向に回転する場合を「逆回転」と称する。従って、シャフト２６が正回転方向に回転するとピストンチューブ１０が伸長し、シャフト２６が逆回転方向に回転するとピストンチューブ１０が縮小する。

　本体ハウジング５の側面には、モータ３４が内蔵されたモータユニット６が取り付けられている。図６は、モータユニット６の構成を示す断面図、図７,８は、モータ３４の構成を示す説明図である。図６に示すように、モータ３４の回転軸３５は、本体ハウジング５の内部に挿入されており、機構収容部２０内に延びている。回転軸３５は、第１ケース１５に設けられた軸受８０ａ,８０ｂによって回転自在に支持されている。回転軸３５の外周にはウォーム３６が形成されている。ウォーム３６は、動力伝達機構２１のウォームホイール４１に噛合している。リニアアクチュエータ１では、ウォーム３６として条数が２以上の多条ウォームが使用されている（ここでは２条ウォーム）。ウォーム３６に多条ウォームを用いることにより、ウォーム３６の回転数を下げてもウォームホイール４１の回転数を確保できる。従って、１条のウォームを使用する場合に比して、モータの回転数を下げることができ、その分、モータ作動時における作動音を抑制することが可能となる。

　モータ３４は、回転軸３５を備えたアーマチュア８１と、有底円筒状のヨーク８２とを有している。アーマチュア８１は、ヨーク８２内に収容されている。ヨーク８２の端部には、軸受８４が取り付けられている。回転軸３５の一端側は、軸受８４に回転自在に支持されている。図７に示すように、ヨーク８２の内周面８３には、界磁磁極として、２対４個のマグネット８５が取り付けられている。マグネット８５は、内周側がＮ極に着磁されたマグネット８５ｎと、Ｓ極に着磁されたマグネット８５ｓが交互に配置されている。マグネット８５ｎ,８５ｓは、ヨーク内周面８３に接着剤等によって固定されている。

　モータ３４は、４個のマグネット８５を有する４極構成となっている。４極のモータ３４は、従来の２極構成のモータよりもマグネットを薄くしても、アクチュエータとして必要なモータトルクを確保できる。従って、マグネット８５の薄型化に伴い、ヨーク８２の外径も小さくでき、その分、モータ３４を小型化できる。前述のように、電動式ベッドでは低床化が求められている。ベッド２では、モータの小型化により、リニアアクチュエータが小型化され、ベッドボトム下の空間をより小さくできる。その結果、ベッドボトムをより低い位置に配すること（ベッドの低床化）が可能となる。また、モータ３４を４極構成とすることにより、モータ３４のコギングが少なくなり、アクチュエータ作動音も低減する。

　マグネット８５の内側には、アーマチュア８１が配置されている。回転軸３５には、アーマチュア８１に隣接して、コンミテータ（整流子）８６が取り付けられている。アーマチュア８１は、アーマチュアコア８８を有している。図７に示すように、アーマチュアコア８８は、径方向に沿って放射状に延びる１８個のティース８７を備えている。ティース８７の間にはスロット８９が形成されている。スロット８９には、アーマチュアコイル（電機子巻線）９１が巻装されている。アーマチュアコイル９１は、スロット８９に所定の間隔をあけて巻装されている。アーマチュアコイル９１の各端部は、コンミテータ８６の各コンミテータ片（整流子片）９２に電気的に接続されている。コンミテータ８６には、ブラシ９３（９３ａ,９３ｂ）が摺接している。

　図９は、アーマチュアコイル９１の巻線状態を示す説明図である。図９に示すように、アーマチュアコイル９１は、コンミテータ片９２から、所定間隔をあけて２つのスロット８９の間に所定回数巻回された後、さらに、所定間隔をあけて２つのスロット８９の間に所定回数巻回される。そして、その後、他のコンミテータ片９２に接続される。例えば、図９のコイル９１ａは、１４番のコンミテータ片９２ａから、まず、８番と９番のティース８７の間に形成されたスロット８９ａに入り、そこから、１２番と１３番のティース８７の間に形成されたスロット８９ｂとの間に所定回数（例えば、２１ターン）巻回される。次に、スロット８９ｂから、１６番と１７番のティース８７の間に形成されたスロット８９ｃとの間に所定回数（例えば、２１ターン）巻回される。そして、所定ターン後、スロット８９ｂから、６番のコンミテータ片９２ｂに接続される。

　上述のような巻線方式を採用することにより、重巻にて巻装されたコイルの太巻き部分が半分のターン数になる。つまり、前述の例で言えば、４２ターンの太巻き部が２１ターン×２となり、スロットの奥までコイルを巻装させることが可能となる。これにより、コイルエンド部分の膨らみが抑えられ、その分、巻線の占積率を高めることが可能となる。

　また、アーマチュアコイル９１では、等電位点が均圧線９４にて接続されている。すなわち、アーマチュアコイル９１の対向する同電位コイル同士が均圧線９４にて接続されている。つまり、１８スロットの当該モータ３４では、９スロット跨ぎにて１８０°対向する位置のコイル同士が均圧線９４にて接続されている。その結果、対向する同電位コイルには、均圧線９４を介して給電が行われ、ブラシ９３ａ,９３ｂに対向する位置の同電位ブラシ（図８に破線にて表示）を削減できる。リニアアクチュエータ１では、均圧線９４によってモータ３４を４極２ブラシ構成にでき、従来の２極２ブラシ構成のモータに対し、ブラシ摺動音を悪化させることなく、モータを４極化し、モータ３４を小型化できる。

　このように、本発明のリニアアクチュエータ１では、４極構成の採用により、モータ３４を小型化でき、ベッドをより低床化することが可能となる。また、モータ３４は、多条ウォームの採用による作動音の低減や、４極化によるコギング低下などによって従来のモータよりも静音化されているので、リニアアクチュエータ１の静粛性も向上する。さらに、リニアアクチュエータ１の静粛性向上に伴い、ベッドボトムを従来よりも低くしてもアクチュエータ作動音がボトム下に響かない。その結果、ベッドボトムをより低く配置でき、この点からもベッドの低床化が可能となる。

　一方、本発明のリニアアクチュエータ１では、図８に示すように、２つのブラシ９３ａ,９３ｂが９０°間隔で上下（床面に対して垂直方向）に配置されている。上側（ベッドボトム側）のブラシ９３ａは正極（＋）のブラシ、下側（床面側）のブラシ９３ｂは負極（－）のブラシとなっている。つまり、リニアアクチュエータ１では、異極のブラシが上下に配置されている。一般にブラシ付きモータでは、モータの作動に伴い、ブラシとコンミテータの摺接によりブラシ摩耗粉が生じる。ところが、ブラシ摩耗粉は、長年の使用によってモータ内に蓄積される場合がある。異極のブラシを水平方向に配置すると、両ブラシ間に摩耗粉が堆積し、ブラシ間がショートするおそれがある。これに対し、当該モータ３４では、ブラシ９３ａ,９３ｂが上下方向に配置されているため、仮に摩耗粉がモータ内に溜まっても両ブラシ間には堆積しない。従って、長年の使用により摩耗粉が生じても、それによってブラシ同士がショートしてしまう恐れがない。その結果、モータ３４の信頼性が向上すると共に、リニアアクチュエータ１、そして、ベッド２の信頼性も向上する。

　図１０は、動力伝達機構２１の構成を示す分解斜視図である。前述のように、動力伝達機構２１は、ウォームホイール４１と、カップリング４２、クラッチケース４３、クラッチ４４、及び、ブレーキユニット４５とから構成されている。動力伝達機構２１では、ウォーム３６からの回転入力は、ウォームホイール４１からカップリング４２を介してシャフト２６に伝達される。シャフト２６が正回転するとピストンチューブ１０が押し出され、背ボトム３が起立する。このとき、動力伝達機構２１内のクラッチ４４はフリー状態（ＯＦＦ状態）となっている。その結果、ピストンチューブ１０は、ブレーキユニット４５によるブレーキ作用を伴うことなく前進する。

　一方、シャフト２６が逆回転するとピストンチューブ１０が引き込まれ、背ボトム３が倒伏する。逆回転場合は、正回転時と異なり、クラッチ４４はロック状態（ＯＮ状態）となる。すなわち、シャフト２６の回転がブレーキユニット４５内の部材に伝達され、ブレーキ作用が生じる。その結果、ピストンチューブ１０は、ブレーキ作用を伴いつつ後退する。このブレーキ作用により、背ボトム３を水平側に倒す際（ピストン短縮時）、背ボトム３の自重や使用者の体重（以下、使用者の体重等と略記する）によって動きが増速してしまうのを防止できる。また、モータ３４をＯＦＦし、背ボトム３を傾斜状態で停止させたとき、使用者の体重等によって、背ボトム３が倒れてしまうことも防止できる。

　図４および、図１０に示すように、ウォームホイール４１は有底円筒形状に形成されている。ウォームホイール４１の一端側は、カップ状に開口している。ウォームホイール４１の他端側には、小ギヤ４６が形成されている。小ギヤ４６は、図示しないリダクションギヤ等を介して、回転検出用のポテンショセンサ（図示せず）に接続されている。ウォームホイール４１の開口端側は、円筒孔状のカップリング嵌合部４７となっている。カップリング嵌合部４７の内周部には、嵌合凹部４８が周方向に沿って複数個等分に形成されている。カップリング嵌合部４７には、金属製（例えば、鉄系焼結合金）のカップリング４２が挿入状態で取り付けられる。カップリング４２内には、クラッチケース４３とクラッチ４４が収容されている。

　リニアアクチュエータ１では、ウォームホイール４１の形状をカップ状とし、その内部にクラッチ４４等を収容した構造を採用している。この構造により、ウォームホイール４１とクラッチ４４を軸方向に直列配置した図１０のような従来のアクチュエータに比して、装置全体の長さを短縮できる。従って、前述同様、装置を小型化しつつ、ピストンストロークを確保できる。

　カップリング４２もまた有底円筒形状に形成されている。カップリング４２の外周部には、嵌合凸部４９が周方向に沿って複数個等分に形成されている。嵌合凸部４９と嵌合凹部４８は、軸方向に沿って挿入嵌合可能となっている、カップリング嵌合部４７にカップリング４２を取り付けると、嵌合凸部４９と嵌合凹部４８が嵌合する。凸部４９と凹部４８の嵌合により、カップリング４２は回り止めされた状態で、ウォームホイール４１に装着される。

　カップリング４２の内周側には、ボス部５１が突出形成されている。ボス部５１には、シャフト孔５２が軸方向に貫通形成されている。シャフト孔５２の内周面には、セレーション５３が形成されている。図４に示すように、シャフト２６の左端側外周にもセレーション５４が形成されている。カップリング４２は、両セレーション５３,５４が噛合した状態でシャフト２６に取り付けられる。セレーション５３,５４の噛合により、カップリング４２は、シャフト２６に回り止めされた状態で取り付けられる。その結果、ウォームホイール４１は、カップリング４２を介してシャフト２６と一体化される。

　本発明のリニアアクチュエータ１では、ウォームホイール４１とシャフト２６との間に金属製のカップリング４２を内蔵配置し、カップリング４２を介して、ウォームホイールの回転力をシャフト２６に伝達する。このため、カップリング４２によってウォームホイール４１の強度を確保でき、ウォームホイール４１の厚さ（軸方向長）を薄くできる。従来のアクチュエータでは、合成樹脂製のウォームホイールと、金属製のシャフトをセレーション結合しているため、結合強度を確保すべく、結合部を長く取る必要がある。これに対し、本発明のリニアアクチュエータ１では、共に金属製のカップリング４２とシャフト２６をセレーション結合するため、従来に比して結合部の長さを短くでき、その結果、装置全体の長さを短縮できる。従って、本発明のリニアアクチュエータ１では、装置を小型化しつつ、ピストンストロークも確保できる。

　また、ウォームホイール４１内にカップリング４２を配することにより、ウォームホイール４１の歯部４１ａの内側が金属部材によって補強される。このため、ウォームホイール４１の外径を大きくしなくとも歯部４１ａの強度を確保でき、ウォームホイール４１の小径化が可能となり、装置の厚みを小さくできる。ベッド用のリニアアクチュエータは、通常、ベッド下に配置されるため、ベッドの低床化に応じて装置の薄型化も求められている。本発明のリニアアクチュエータ１によれば、このようなベッドの低床化に伴う要求にも応えることが可能となる。

　さらに、従来のアクチュエータでは、全体が合成樹脂にて形成されたウォームホイールを使用しているため、軸方向長を小さくすると、シャフトとの結合強度が落ちるのみならず、ギヤ歯の噛み合いによってウォームホイールが歪み、噛み合いが浅くなってしまうおそれがある。噛み合いが浅くなると、動作時に異音が生じたり、歯部の摩耗が大きくなったりするなどの問題が生じる。この点、リニアアクチュエータ１では、内側に金属部材が配されているため、ウォームホイールが歪みにくく、ウォーム３６とウォームホイール４１との間の噛み合いも安定する。従って、動作時の異音や異常摩耗が抑えられ、ベッドの使用感向上や、アクチュエータの耐久性向上が可能となる。

　カップリング４２の内筒部５５には、金属製（例えば、アルミダイカスト製）のクラッチケース４３が挿入されている。クラッチケース４３は、両端が開口した円筒形状となっている。クラッチケース４３の一端側には、フランジ状のリング部５６が拡径形成されている。リング部５６の外周には、突起部５７が径方向外側に向かって突出形成されている。突起部５７は、第１ケース１５に設けられた図示しない係止部（凹部）と係合しており、突起部５７は、第１ケース１５に対して回り止めされた状態で配置される。クラッチケース４３の内側には、クラッチ４４の外周（外輪側）が圧入固定されている。クラッチ４４には、複数本のローラ（図示せず）を備えたワンウエイクラッチが使用される。クラッチ４４は、内外輪間にて一方向の回転のみ他方に伝達し、シャフト２６が正回転している場合はフリー状態、シャフト２６が逆回転している場合はロック状態となるよう設定されている。

　クラッチ４４の内周側（内輪側）には、ブレーキユニット４５に設けられたブレーキプレートホルダ６１の円筒部６２が挿入されている。円筒部６２は、カップリング４２のボス部５１と共に、クラッチ内輪とシャフト２６との間に配された介在部材となっている。クラッチ４４は、ボス部５１と円筒部６２を介してシャフト２６上に配置される。リニアアクチュエータ１では、ボス部５１や円筒部６２の径を調整することにより、クラッチ４４のサイズを変更でき、所望のロック力に応じてクラッチ４４を選択可能である。

　ブレーキユニット４５は、金属製のブレーキプレートホルダ６１と、合成樹脂製（例えば、ポリアミド）のブレーキプレート６３、金属製のブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂ（２枚）とから構成されている。ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂの軸孔６５ａ,６５ｂには、セレーション６６が形成されている。セレーション６６は、シャフト２６のセレーション５４に噛合する。セレーション６６,５４の噛合により、ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂは、シャフト２６に回り止めされた状態で取り付けられる。ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂは、ブレーキプレート６３の軸方向両側に、ブレーキプレート６３を挟むように配置される。

　ブレーキプレートホルダ６１は、両端が開口した円筒形状となっている。ブレーキプレートホルダ６１の一端側には、フランジ部６７が形成されている。フランジ部６７には、軸方向沿って４個の凸部６８が等分に突設されている。凸部６８の間はホルダ凹部６９となっている。ホルダ凹部６９には、ブレーキプレート６３の外周に形成されたプレート凸部７０（４個）が嵌合する。凹部６９と凸部７０の嵌合により、ブレーキプレート６３とブレーキプレートホルダ６１は一体となって回転する。ブレーキプレート６３の両端面には、凹凸形状の圧接部７１が形成されている。圧接部７１は、ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂと摺接可能な状態で圧接される。ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂと圧接部７１との間には、異種材摺接による異音防止も兼ね、グリスが塗布される。

　ブレーキユニット４５では、シャフト２６が正回転するとき、クラッチ４４がフリー状態となるように設定されている。ブレーキユニット４５では、シャフト２６と共にブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂが回転する。ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂが回転すると、圧接部７１に生じる摩擦力により、ブレーキプレート６３も連れ回りする。ブレーキプレート６３とブレーキプレートホルダ６１は、プレート凸部７０とホルダ凹部６９の嵌合により一体となって回転する。この際、ブレーキユニット４５は、シャフト正回転時にクラッチがフリーとなる設定のため、ブレーキプレートホルダ６１は、クラッチ４４内にて空転状態となる。すなわち、ブレーキプレートホルダ６１の回転はクラッチケース４３側には伝わらず、ブレーキユニット４５全体がクラッチケース４３内にて空転する。従って、シャフト２６が正回転するときは、ブレーキプレートホルダ６１とブレーキプレート６３が正回転し、それと共にブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂやベアリング内輪２８ａも正回転するため、ブレーキユニット４５にはブレーキ作用は生じない。

　これに対し、シャフト２６が逆回転すると、クラッチ４４がロック状態となる。すなわち、ブレーキプレートホルダ６１の回転がクラッチケース４３側に伝わり、クラッチケース４３が回転しようとする。ところが、前述のように、クラッチケース４３は回り止めされた状態で第１ケース１５内に配置されているため、クラッチケース４３自体は回転しない。つまり、シャフト２６の回転に対し、クラッチ４４を介して回転力が伝わるクラッチケース４３が非回転状態となる。このため、摩擦力によって結合しているブレーキプレート６３とブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂの間にすべりが生じ、圧接部７１の摩擦力によって回転抵抗力が生じる。すなわち、シャフト２６が逆回転するときは、ブレーキプレートホルダ６１とブレーキプレート６３が非回転状態となる一方、ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂやベアリング内輪２８ａは逆回転する。従って、逆回転時には、圧接部７１の摩擦力により、ブレーキユニット４５にブレーキ作用（制動力）が生じる。

　なお、リニアアクチュエータ１では、シャフト２６とクラッチ４４は直接結合しておらず、クラッチ４４の内側には、ブレーキプレートホルダ６１が配されている。ブレーキプレートホルダ６１の内側には、カップリング４２のボス部５１が配されている。カップリング４２のボス部５１の内側には、シャフト２６が配されている。一般に、ワンウエイクラッチでは、クラッチ径が大きいほどロック力が大きい。よって、従来のアクチュエータのように、クラッチをシャフトに直接取り付けると、クラッチ径が小さくなり、ロック力が不足するおそれがある。これに対し、本発明によるリニアアクチュエータ１では、シャフト２６とクラッチ４４の間に他の介在部材が存在しているため、シャフト径に関係なく、クラッチ４４のサイズを調整できる。従って、所望のロック力に合わせてクラッチ４４を選択でき、設計の自由度が増大すると共に、製品信頼性も向上する。

　次に、本発明によるリニアアクチュエータ１の動作について説明する。リニアアクチュエータ１では、操作者が背ボトム３を起立させるべく操作ボタンを押すと、モータ３４が正回転する。モータ３４の回転は、ウォーム３６から、ウォームホイール４１、カップリング４２と伝わり、シャフト２６が正方向に回転する。シャフト２６が正回転すると、スクリューナット２９が前進し、スクリューナット２９に連結されたピストンチューブ１０が押し出されて行く。ピストンチューブ１０の前進に伴い、背ボトム３は、図１（ｂ）に示すように起立状態となる。なお、正回転時には、クラッチ４４がフリー状態となるため、シャフト２６のみが正回転し、ブレーキユニット４５によるブレーキ作用は生じない。

　また、シャフト２６の正回転は、小ギヤ４６から回転検出用のポテンショセンサに伝達される。ポテンショセンサは、シャフト２６の回転角度に応じた電圧値を出力し、当該ベッド２の動作を制御するコントローラ（図示せず）に送信される。コントローラは、所定の上限位置に対応するポテンショ電圧を検出すると、モータ３４を自動的に停止させる。

　モータ３４が停止すると、背ボトム３の荷重（使用者の体重等）がピストンチューブ１０に作用し、スクリューナット２９にもそれを後退させる方向の力が加わる。この後退方向の力は、シャフト２６を逆回転させる力であり、シャフト２６は、背ボトム３の荷重によって逆回転される。一方、シャフト２６が逆回転すると、クラッチ４４がロック状態となり、ブレーキユニット４５にブレーキ作用が生じる。すなわち、ブレーキプレート６３に対し、ブレーキワッシャ６４ａ,６４ｂが荷重を受けたまま回転し、圧接部７１の摩擦力によって制動力が生じる。これにより、シャフト２６の逆回転が阻止され、背ボトム３は、荷重を受けた状態にて静止・保持される。

　リニアアクチュエータ１では、図４,５に示すように、ベアリング２８をナット７３とブレーキワッシャ６４ａの間に配置している。また、ベアリングアダプタ２７を使用することにより、ベアリング２８には、シャフト２６のスラスト荷重をも受け得るような大きめのサイズの深溝玉軸受が使用されている。従って、本発明のリニアアクチュエータ１においては、シャフト２６に加わる軸方向の力をベアリング２８の内輪２８ａにて受けることができる。つまり、リニアアクチュエータ１では、シャフト２６に加わる軸方向の力は、シャフト２６の段部２６ｂから、カップリング４２、ブレーキワッシャ６４ｂ、ブレーキプレート６３、ブレーキワッシャ６４ａ、そして、ベアリング２８の内輪２８ａへと伝達される。この結果、リニアアクチュエータ１では、従来のアクチュエータで使用されていた荷重受け用のベースプレートを廃することができ、このベースプレートの厚みの分だけ、装置全体の長さを短縮できる。

　また、リニアアクチュエータ１では、構造上、シャフト２６と共に回転するのはベアリング２８の内輪２８ａであり、外輪２８ｂは回転しない。従って、第１ケース１５とベアリング外輪２８ｂが摺動することによって生じる異音の発生も防止できる。従来のアクチュエータでは、ベアリング外輪の回転に伴う異音発生を防止するため、ベアリング外輪と本体ハウジングの間にグリスを塗布していた。しかしながら、本案のアクチュエータでは、ベアリング２８の外輪２８ｂが回転しないため、ベアリング外輪２８ｂと本体ハウジング５の間にグリスを塗布する必要がなく、異音発生も抑えられる。

　一方、操作者が背ボトム３を倒伏させるべく操作ボタンを押すと、モータ３４が逆回転する。モータ３４の回転は前述同様に伝わり、シャフト２６は逆回転する。シャフト２６が逆回転すると、スクリューナット２９が後退し、ピストンチューブ１０が引き込まれて行く。ピストンチューブ１０の後退に伴い、背ボトム３は、図１（ａ）に示すように倒伏状態となる。シャフト２６の逆回転もまた、小ギヤ４６から回転検出用のポテンショセンサに伝達され、ピストンチューブ１０の位置を検出する。コントローラが、所定の下限位置に対応するポテンショ電圧、又は、所定の上限位置に対応するポテンショ電圧を検出すると、モータ３４を自動的に停止させる。

　逆回転動作の際は、クラッチ４４がロック状態となり、シャフト２６の回転はクラッチケース４３側に伝達される。前述のように、逆回転動作のときブレーキユニット４５では、圧接部７１に滑りが生じ、その摩擦力によって制動力が発生する。但し、この制動力は、モータ３４によるシャフト２６の駆動力よりも小さく設定されている。シャフト２６は、ブレーキユニット４５による制動力を受けつつ逆回転する。そして、ピストンチューブ１０の縮小と共に、背ボトム３が倒されて行く。背ボトム３を倒伏する際、シャフト２６には前述の制動力が働くため、使用者の体重等によって倒伏動作が増速してしまうのを防止でき、操作の安全性も確保される。

　このように、リニアアクチュエータ１は、各部材間の距離（アクチュエータの構造部の長さ）を短くする構造となっており、ピストンストロークを短くすることなく、アクチュエータ全体の長さを短くできる。従って、前述同様、装置を小型化しつつ、ピストンストロークを確保できる。また、各機能部品自体は小さくなっていないことから、部品強度も低下せず、アクチュエータの推力の低下もない。従って、装置を小型化しつつ、従来のアクチュエータと同様の機能を確保できる。さらに、装置の小型化に伴い、ベッドへの取り付けレイアウトの自由度も向上する。

　本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
　例えば、ベッド２は、リニアアクチュエータ１のピストンチューブ１０の伸長によって背ボトム３が起立するような、いわゆる押し勝手の構成には限られず、ピストンチューブ１０の短縮によって背ボトム３が起立するようないわゆる引き勝手の構成のものでも良い。さらに、前述の実施の形態では、リニアアクチュエータ１を背ボトム３の駆動に使用した場合について説明したが、リニアアクチュエータ１を膝ボトムの駆動に使用することも可能である。また、リニアアクチュエータ１を、ベッドボトムの高さを調整するために使用することも可能である。

　前述の実施の形態では、本発明のリニアアクチュエータを医療・介護用ベッドの動作部に使用した例を示したが、その適用対象はベッドには限定されず、他の医療用機器や自動車、家電製品等、作動部位を有する各種機械・装置に広く適用可能である。

　１　　リニアアクチュエータ　　　　　２　　医療・介護用ベッド
　３　　背ボトム　　　　　　　　　　　４　　フレーム
　５　　本体ハウジング　　　　　　　　６　　モータユニット
　７　　ピストンユニット　　　　　　　８　　クレビス
　８ａ　　フランジ部　　　　　　　　　９　　アクチュエータ支持軸
１０　　ピストンチューブ　　　　　　１０ａ　貫通孔
１１　　リンク　　　　　　　　　　　１２　　リンク接続軸
１３　　軸孔　　　　　　　　　　　　１４　　軸孔
１５　　第１ケース　　　　　　　　　１６　　第２ケース
１７　　クレビス取付部　　　　　　　１８　　ねじ
１９　　ピストンユニット収容部　　　２０　　機構収容部
２１　　動力伝達機構　　　　　　　　２２　　補強パイプ
２３　　支持パイプ　　　　　　　　　２４　　プラグ
２５　　キャップ　　　　　　　　　　２６　　シャフト
２６ａ　雄ねじ部　　　　　　　　　　２６ｂ　段部
２７　　ベアリングアダプタ　　　　　２８　　ベアリング
２８ａ　内輪　　　　　　　　　　　　２８ｂ　外輪
２９　　スクリューナット　　　　　　２９ａ　凸部
３０　　スクリューナットアダプタ　　３１　　リング部
３１ａ　凹部　　　　　　　　　　　　３２　　爪部
３２ａ　突起　　　　　　　　　　　　３３　　雌ねじ部
３４　　モータ　　　　　　　　　　　３５　　回転軸
３６　　ウォーム　　　　　　　　　　３７　　フレームリング
３８　　嵌合溝　　　　　　　　　　　３９　　突条部
４１　　ウォームホイール　　　　　　４１ａ　歯部
４２　　カップリング　　　　　　　　４３　　クラッチケース
４４　　ワンウエイクラッチ　　　　　４５　　ブレーキユニット
４６　　小ギヤ　　　　　　　　　　　４７　　カップリング嵌合部
４８　　嵌合凹部　　　　　　　　　　４９　　嵌合凸部
５１　　ボス部　　　　　　　　　　　５２　　シャフト孔
５３　　セレーション　　　　　　　　５４　　セレーション
５５　　内筒部　　　　　　　　　　　５６　　リング部
５７　　突起部　　　　　　　　　　　６１　　ブレーキプレートホルダ
６２　　ボス部　　　　　　　　　　　６３　　ブレーキプレート
６４ａ,６４ｂ　　ブレーキワッシャ　６５ａ,６５ｂ　　軸孔
６６　　セレーション　　　　　　　　６７　　フランジ部
６８　　凸部　　　　　　　　　　　　６９　　ホルダ凹部
７０　　プレート凸部　　　　　　　　７１　　圧接部
７２　　ワッシャ　　　　　　　　　　７３　　ナット
８０ａ,８０ｂ　　軸受　　　　　　　８１　　アーマチュア
８２　　ヨーク　　　　　　　　　　　８３　　ヨーク内周面
８４　　軸受　　　　　　　　　　　　８５　　マグネット
８５ｎ　Ｎ極マグネット　　　　　　　８５ｓ　Ｓ極マグネット
８６　　コンミテータ　　　　　　　　８７　　ティース
８８　　アーマチュアコア　　　　　　８９　　スロット
８９ａ,８９ｂ,８９ｃ　　スロット　　９１　　アーマチュアコイル
９１ａ　コイル　　　　　　　　　　　９２　　コンミテータ片
９２ａ,９２ｂ　　コンミテータ片　　９３ａ,９３ｂ　　ブラシ
９４　　均圧線

Claims

　雄ねじ部を有するシャフトと、該シャフトにモータの回転を減速して伝達するウォーム及びウォームホイールと、前記雄ねじ部に螺合して前記シャフトの正逆回転によって進退するスクリューナットと、該スクリューナットに固定されてハウジングに対して進退するピストンチューブと、を備えてなるリニアアクチュエータであって、
　前記モータは、
　ヨーク内周面に固定された４極の界磁磁極と、
　電機子巻線が重巻にて巻装されたアーマチュアと、
　前記アーマチュアに配置され、前記電機子巻線が電気的に接続されたコンミテータと、
　略９０°間隔に配置され、前記コンミテータの表面に接触する２個のブラシと、
　前記コンミテータに接続され、前記電機子巻線を形成する複数のコイルと、
　前記コイルのうち等電位となるべきコイル間を接続する均圧線と、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１記載のリニアアクチュエータにおいて、前記２個のブラシは、上下の位置関係に配置されることを特徴とするリニアアクチュエータ。
　請求項１又は２記載のリニアアクチュエータにおいて、前記ウォームは、条数が２以上の多条ウォームであることを特徴とするリニアアクチュエータ。