CN100472919C - 线性驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种设有将电动机转子(16)旋转运动转换为驱动轴(24)直线运动的转换装置的线性驱动装置，设有承受可动轴(24)前进时作用于可动轴的推力方向的反作用力的推力承受结构。该推力承受结构为一种点接触式推力承受结构，可抑制可动轴(24)前进时作用于可动轴的推力方向的反作用力所导致的转子旋转摩擦的增加。推力承受结构为承受转子后端放置中心点的构造。

Description

线性驱动装置

技术领域

本发明涉及一种可将驱动源的旋转运动转换为可动轴的直线运动的线性驱动装置如可用作给水装置阀的开关及浴缸排水塞的开关传动装置等的线性驱动装置。

背景技术

目前已有各种可用作给水装置阀开关及浴缸排水塞开关传动装置等的线性传动装置方案。日本专利实开昭57—127567号公报所记载的发明就是一种。上述公报所述发明的线性传动装置设有：限制旋转方向的动作、可在推进方向移动的、设有外螺纹构成的输出轴；设于电动机的转子上的、与输出轴的外螺纹啮合的内螺纹；设于电动机转子一端的小齿轮；与小齿轮啮合的齿轮；设于该齿轮上的限制旋转的凸部；设于支持台上的、通过干涉上述凸部来限制上述齿轮旋转区域的凸部；通过限制上述齿轮的旋转区域来限制上述输出轴直线移动行程。与上述齿轮平行配置的支持台上固定有位置传感器，可检测出齿轮在旋转区域内的原点位置。并且，构成使中心孔的一部设有大于上述内螺纹及输出轴外螺纹直径的贯通孔的转子旋转，在推力方向驱动输出轴，转子贯通孔的筒管部的端面承受输出轴所受推力。

上述日本专利实开昭57—127567号公报所述发明存在以下问题：

①由于与设于转子上的小齿轮啮合的齿轮设有限制旋转区域部，所以，只能获得齿轮旋转一周范围内的动作区域。

②利用固定在与转子啮合的齿轮上的轴来间接检测输出轴的位置，在输出轴与传感器间设有转子及齿轮等多个构件，由于零件精度及装配精度等的影响，位置检测难以正确。

③在转子的中心孔形成内螺纹，输出轴的外螺纹与该内螺纹螺合，输出轴在转子的中心孔内推力移动的场合，由于转子端面为内径大于螺纹径的管状，并由该大直径转子端面承受输出轴，所以在转子的端面会产生很大的滑动损耗，结果难以获得大的推力。并且，如上所述，由于是由大直径的转子端面承受推力，所以存在承受推力面的转子端面的圆周速度变大，PV值变大，耐磨损性及耐久性差的问题。

特别是，要想足够大的驱动轴直线移动行程，上述②与③的问题就越显著。

发明内容

本发明的目的是提供一种可全面解决上述问题的线性驱动装置，即解决上述①的问题、同时也可解决上述②及③的问题的可将电动机转子的旋转运动转换成轴的直线运动的转换装置的线性驱动装置，其中①可获得足够大的驱动轴直线移动行程，②可直接检测出作为输出轴的驱动轴的位置，可进行正确的位置检测，③通过认真研究推力挡盖部的构成，可减轻滑动力，获得大的推力，并减小推力挡盖部的圆周速度，具有很好的耐磨耗性及耐久性。

为解决上述课题，技术方案1所述发明为一种线性驱动装置，设有将电动机转子的旋转运动转换为驱动轴的直线运动的转换装置，其特征在于，具有美式卷绕制动装置，包括：随着转子旋转而旋转的第1齿轮；与第1齿轮的齿数不同的、与第1齿轮啮合的第2齿轮；以及阻止部，该阻止部设于所述第1齿轮及第2齿轮上、在允许两个齿轮旋转多周的同时使两者相互干扰而阻止所述转子旋转，通过美式卷绕制动装置来限制驱动轴的可动范围。

根据本发明，构成美式卷绕制动装置的第1齿轮与第2齿轮在旋转元件部驱动开始旋转至旋转结束的转数增多，由此可充分增加可动轴直线移动行程。

技术方案2的发明的特征是，在技术方案1所述发明的基础上，第1齿轮为安装在作为驱动源的电动机输出轴上的小齿轮。

根据本发明，将安装在电动机输出轴上的小齿轮用作构成美式卷绕制动装置的第1齿轮，可简化设有美式卷绕制动装置的线性驱动装置的构成。

技术方案3所述发明的特征是，在技术方案1的基础上，第1齿轮安装在电动机的小齿轮的后段。

根据本发明，由于将构成美式卷绕制动装置的第1齿轮设于电动机小齿轮的后段，所以可进一步增加第1齿轮与第2齿轮的转数，从而进一步增加可动轴的移动行程与力量。

技术方案4所述发明的特征是，在技术方案3的基础上，在电动机的小齿轮与第1齿轮之间安装有其他齿轮。

根据本发明，可进一步增加相对第1齿轮与第2齿轮转数的电动机的转数，从而进一步增加可动轴的移动行程及力量。

技术方案5所述发明的特征在于，在技术方案1的基础上，在第1齿轮与第2齿轮一侧设有多个阻止部。

技术方案6所述发明的特征在于，在设有将电动机转子的旋转运动转换为驱动轴的直线运动的转换装置的线性驱动装置中，为直接检测出可动轴的位置，在上述可动轴上设有位置检测装置。

根据本发明，可正确检测可动轴的位置。

技术方案7所述发明的特征是，在技术方案6的基础上，转换装置设有安装在可动轴及转子上的、相互啮合的内螺纹与外螺纹及阻止可动轴旋转的止转装置。止转装置设有：设于贮存外壳内的导向部；与可动轴同时直线运动的、与可动轴连接在一起的、在上述导向部引导下阻止可动轴旋转的止转构件，上述位置检测装置安装在该止转构件上。

根据本发明，可实现将转子的旋转运动转换为直线运动的转换装置及位置检测装置的简洁化。

技术方案8所述发明的特征是，在技术方案7所述发明的基础上，设有相对上述位置检测装置移动轨迹配置的第1检测装置，该第1检测装置能与设于可动轴上的位置检测装置组成一对检测可动轴的位置，该第1检测装置通过与上述位置检测装置相对时与不相对时检测信号差来检测可动轴的位置，同时直接或间接安装在设有导向部的构件上。

根据本发明，可易于确保位置检测装置与第1检测装置的位置精度。

技术方案9所述发明的特征是，在技术方案8的基础上，第1检测装置安装在底板上，该底板固定在设有导向部的构件上，所以，易于确保位置检测装置与第1检测装置的位置精度。

技术方案10所述发明的特征是，在设有将电动机的转子旋转运动转换为可动轴的直线运动的转换装置的线性驱动装置中，设有承受可动轴前进时作用于可动轴的推力方向的反作用力的推力挡盖构造，该推力挡盖构造为点接触式推力承受结构，可抑制可动轴前进时由于作用于可动轴的推力方向的反作用力导致的转子旋转摩擦的增加。

根据本发明，可得到一种能最小化摩擦阻力及滑动阻力、减小推力损耗、大推力的线性驱动装置。

技术方案11所述发明的特征是在技术方案10所述发明的基础上，推力挡盖采用承受转子后端的旋转中心点的构造。

根据本发明，可得到一种能进一步减小滑动阻力、减少推力损耗、大推力的线性驱动装置。由于滑动声音小，所以可减小作业时的噪音。

技术方案12所述发明的特征是在技术方案11所述发明的基础上，通过可动轴前进将转子按压推力挡盖构造方向的负荷大于通过可动轴后退将转子拉离推力挡盖构造侧方向的负荷。

根据技术方案1所述发明，在线性驱动装置中，由于是利用美式卷绕制动装置限制可动轴直线移动行程，所以可增加构成美式卷绕制动装置的第1齿轮、第2齿轮从一个旋转极限至另一个旋转极限的转数，在延长可动轴直线移动行程的同时，也可得到足够大的推力。

附图说明

图1为本发明的线性驱动装置实施形态的纵剖视图；

图2为去掉上述实施形态中的盖的部分美式卷绕制动装置的正视图；

图3示出上述美式卷绕制动装置的动作，(a)为一方旋转极限的正面图，(b)为另一方旋转极限的正面图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明线性驱动装置的实施形态。本实施为开关浴缸排水塞开关的线性驱动装置，通过可动轴前进而打开排水塞，可动轴后退，关闭排水塞。

在图1、图2中，13为有底的圆筒状外壳，4为固定在外壳13开口端的盖。在外壳13内装有作为驱动源的电动机。电动机设有由绕线管19、驱动线圈20、定子铁心21、电动机外壳18等构成的定子和由转子16、转子磁铁17等构成的转子。

上述定子铁心21内圆周侧设有以圆周方向等间隔呈圆筒形配置有多个极齿。定子铁心21以2个为一组，各极齿相互对向配置于圆周方向。在这些极齿的外圆周侧嵌有卷绕有驱动线圈20的绕线管19。2组上述2个一组的定子铁心21、绕线管19、驱动线圈20构成的定子组沿轴方向重叠结合构成定子。这样构成的定子装在有底圆筒状电动机外壳18内并固定。

上述转子16设有作为电动机的输出轴的中心圆筒部25和通过一体成形设于该中心圆筒部25的轴方向约一半处的大径圆筒部26。圆筒形的转子磁体17嵌于大径圆筒部26的外圆周并固定。转子磁体17在圆周方向设有等距的磁极。在外壳13内，地板22与上述定子的端面相对并固定在上述电动机外壳18的开放端。地板22的中心孔嵌有向心轴承23，通过向心轴承23对转子16的上述中心圆筒部25可转动地进行支持。

转子16的中心圆筒部25的内圆周侧由前端侧的小径部27a及其以外的大径部27b构成。因此，大径部27b到达中心圆筒部25的后端。在上述转子16的后端嵌有用与转子16材质不同的低摩擦构件构成的帽盖15。帽盖15设有球面，该球面与配置于电动机机外壳18的内底部中心的推力挡盖14抵接，承受作用于转子的推力方向的负荷。帽盖15与推力挡盖14构成推力挡盖构造。在电动机外壳18的内底部中心设有包围推力挡盖14及转子16的中心圆筒部25端部的圆筒部。

在转子16的中心圆筒部25前端部内圆周侧即上述小径部27a上形成内丝杆。上述中心圆筒部25在作为轴方向中间方向即上述向心轴承23的附近形成有小齿轮28。可动轴24的后端部插入上述中心圆筒部25。在可动轴24的后端部外周中央形成外丝杆。外丝杆与上述转子16的内丝杆啮合。可动轴24的前端部从上述盖4的前端面突出。在可动轴24纵向中央部固定有在上述盖内从可动轴24向半径方向延伸的止转部6。在盖4内固定有与可动轴24平行的导向轴5。可沿导向轴5滑动的上述止转部6嵌入导向轴5内。

上述设有定子与转子的电动机为步进电动机，通过驱动线圈20连接脉冲状电源，转子以规定的角度旋转。如果构成转子的上述中心圆筒部25同向旋转，则设于中心圆筒部25的小径部27a上的内丝杆与可动轴24的外丝杆啮合，并通过止转部6限制可动轴24旋转，由此，可动轴24在导向轴5的引导下沿轴方向直线移动。如果中心圆筒部25反转，则可动轴24反向直线移动。因此，中心圆筒部25的内丝杆与可动轴24的外丝杆、止转部6等构成将电动机转子的旋转运动转换为可动轴24的直线运动的装置。

上述止转部6装有磁铁片7。并且，由于止转部6是与可动轴24一体的构件，所以磁铁片7可直接装在可动轴24上，也可间接装在可动轴24上。磁铁片7与下面将要说明的磁传感器构成位置检测装置。

与上述磁铁片7的移动轨迹相对，配置有检测可动轴24的直线移动极限的磁传感器2、3。磁传感器2、3与上述磁铁片7搭配构成位置检测装置。磁传感器2检测可动轴24的前进极限，磁传感器3检测可动轴24后退极限。磁传感器2、3配置于基板8上，基板8固定在设有作为导向部的导向轴5的构件即盖4上。更具体地说，基板8插入设于盖4上的插入槽等内，基板8的一端固定在盖4的内底面，另一端与上述地板22抵接并固定在盖4内。

可动轴24前进，传感器2检测出磁铁片7，停止电动机驱动，使可动轴24停止前进。电动机反转，可动轴24后退，传感器3检测出磁铁片7，停止电动机的驱动，使可动轴24停止后退。

如以位置检测装置的磁传感器2为第1检测装置，以磁传感器3为第2检测装置，根据作为第1检测装置的磁传感器2与作为位置检测装置的磁铁片7相对时以及不相对时上述磁传感器2与第2检测装置即磁传感器3的检测信号差，可检测出可动轴24的位置。以磁传感器3作为第1检测装置，以磁传感器2作为第2检测装置，根据二者的检测信号差，同样也可检测出可动轴24的位置。

如果要增加可动轴从前进极限至后退极限的移动行程，并得到足够的力量，必须增加电动机的转数。为此，在图示的实施形态中，设置了美式卷绕制动装置。图2、图3为装入上述直线移动装置中的美式卷绕制动装置的结构图。

在图2、图3中，在设于上述中心圆筒部25上的小齿轮28的外圆周侧配置有与小齿轮啮合的第1齿轮29以及与第1齿轮29啮合的第2齿轮31。第1齿轮29与第2齿轮31均由上述地板22保持，且可分别以轴30、轴32为中心旋转。第1齿轮29与第2齿轮31的齿数不同。

图1、图2所示实施形态为自动开关浴缸排水塞的线性驱动装置，可动轴24的全行程约为18mm，上述两个传感器2、3间的行程为15.2mm。设于电动机的输出轴上的小齿轮28的齿数为16，第1齿轮29的齿数为24，第2齿轮31的齿数为25。第1齿轮29上一体地设有突起33，突起33的厚度为2个齿厚。与此相对，第2齿轮31上一体地设有突起34，突起34的厚度为1个齿沟厚。上述突起33与突起34从齿轮29、31的同一面侧突出，这样，如果这些突起33、34的前端相对，则会相互干扰。在突起33、34不相互干扰的范围内，第1齿轮29、第2齿轮31双方均可旋转。因此，突起33、34构成阻止部，在不相互干扰的范围内，第1齿轮29、第2齿轮31双方均可旋转多周，在相互干扰时，阻止电动机旋转。

如上所述，第1齿轮29的齿数为24，第2齿轮31的齿数为25，二者齿数相差为1时，如图3(a)所示，突起33与突起34相互干扰阻止旋转。在此状态下，齿轮反转，如图(b)所示，突起33与突起34再次逆向相互干扰阻止旋转的状态为第1齿轮29在第2齿轮31旋转容许齿数后的状态。并且，在上述实施形态中，从一个止转位置至另一个止转位置的可动轴24的行程L通过第1齿轮29的转数N1、第1齿轮29的齿数Z1、小齿轮28转数为Np和小齿轮28的齿数Zp求得。

N1＝25—1＝24。

(如果第1齿轮29的阻止部33为1齿，则第1齿轮29的转数为25，而在图示的实施形态中，阻止部33为2齿，所以，为—1。)

Np＝N1×Z1/Zp＝24×24/16＝36

如果上述丝杆27的螺矩为0.5mm，则行程L为

L＝36×0.5＝18(mm)

实际上，突起33与突起34相互干扰的位置仅距齿轮29、31的中心轴约1.5个齿距，所以精确计算为L＝17.9(mm)。

这样，将齿数不同的齿轮啮合的同时在部分齿轮上设有相互干扰的阻止部的装置称为美式卷绕制动装置，其特征是，与上述的马氏间歇机构等相比，从一个方向的旋转极限至另一方向的旋转极限的齿轮的转数更多。采用使用具有此种特征的美式卷绕制动装置的图示实施形态，可延长可动轴24的直线移动行程，同时可得到足够大的力量。

在上面所述的实施形态中，由2个磁传感器2、3检测、限制的可动轴24的行程稍小于美式卷绕制动机构限制的可动轴24的行程。这是由于通常由2个磁传感器2、3限制行程，即使由于失控等磁传感器2、3无法限制时，也可由美式卷绕制动机构强行限制可动轴24的直线移动。这样可保护线性驱动装置以及由线性驱动装置所驱动的装置。

在图示实施形态中，由与电动机的转子一体的小齿轮28驱动第1齿轮29旋转，使第2齿轮31与第1齿轮29啮合，也可不采用小齿轮，而在电动机的输出轴上设置第1齿轮，使第2齿轮与第1齿轮啮合。

在安装于电动机输出轴上的小齿轮的后面设有第1齿轮的情况下，也可在小齿轮与第1齿轮间安装一个或多个齿轮。

上述阻止部也可不仅为1个，而设多个。由于这样可通过1个旋转单位调整第1、第2齿轮的转数，所以，即使是相同齿轮列构造，也可通过仅将单侧的齿轮偏向对可动轴的行程进行微调。

作为图示实施形态中的磁传感器2、3，可为霍尔集成电路，也可为磁阻元件，也可为可检测其他磁气的装置。检测装置不限于磁传感器，也可为利用光学或静电容量变化、根据其他适合原理进行检测的装置。

在图示的实施形态中，将被检测体磁铁片7直接或间接装在可动轴24上，将作为检测装置的磁传感器2、3固定在外壳4侧，可直接检测出可动轴的位置。也可将作为检测装置的传感器设在可动轴24侧，将作为被检测体的磁铁片等设在外壳4侧。

在图示的实施形态中，通过设于外壳4上的插入槽、外壳4的内底面及地板22进行基板8的定位及固定，但也可通过螺纹固定、焊接、粘接等进行基板8的定位及固定。也可通过突起及肋进行基板的定位及固定以代替上述槽。

如上所述，上面所述线性驱动装置可用于自动开关浴缸排水塞。驱动轴24前进时，其推力推压排水塞，从而打开排水塞。如果可动轴24后退，其推力牵拉排水塞，从而关闭排水塞。驱动轴24前进时，在作用于可动轴24上的推力方向的反作用力的作用下，与转子16为一体的帽盖15强烈撞击推力挡盖14。推力承受结构如果采用现有构造，由于转子与推力挡盖间的摩擦阻力大，且与推力挡盖抵接的转子部分的圆周速度大，所以推力挡盖部的机械损耗大，难以获得大的推力。

根据图示实施形态，与转子16一体的帽盖15设有球面，该球面与推力挡盖14为点接触，所以摩擦阻力小，并且，球面与推力挡盖14的接触点为转子16的后端的旋转中心点，该旋转中心点与推力挡盖14接触，所以，该接触点的圆周速度理论上为零，故滑动阻力非常小。由于帽盖15用不与转子16一体的构件构成，所以可采用摩擦阻力小的材料，可减小滑动阻力。根据图示实施形态，由于采用推力挡盖构造，可以抑制在可动轴24前进时作用于可动轴24的推力方向的反作用力引起的转子16的旋转摩擦的增加，故可减小推力挡盖部的机械损耗，获得大的推力。

上述浴缸的排水塞关闭时所需推力小于打开时所需推力。因此，因可动轴24前进将转子16按压在推力承受结构侧的负荷大于因可动轴24后退将转子16拉离推力挡盖构造侧的负荷。在图示实施形态中，在可动轴24后退时推力方向反作用力的作用下，转子16的一部与向心轴承23的轴向端面抵接。这种相互抵接关系为面接触，同时，由于以一定圆周速度滑动接触，所以产生大的滑动摩擦阻力。但是，由于可动轴24后退，将转子16拉离推力承受结构侧方向的负荷小，所以，即使产生一定的滑动摩擦阻力，也不会产生驱动排水塞等被驱动体的推力不足的问题。

在图示实施形态中，与推力挡盖14抵接的转子16侧的构件可利用帽盖15，也可使用钢球等代替帽盖15。也可不仅限于球面而将圆锥形构件或枢轴状构件的前端推力挡盖抵接。与推力挡盖14抵接的构件最好采用摩擦阻力小的构件，但并不仅限于此。也可采用与转子16材质相同的材质。

Claims (5)

1.一种线性驱动装置，设有将电动机转子的旋转运动转换为驱动轴的直线运动的转换装置，其特征在于，

具有美式卷绕制动装置，包括：随着所述转子的旋转而旋转的第1齿轮；与该第1齿轮齿数不同、并与第1齿轮啮合的第2齿轮；以及阻止部，该阻止部设于所述第1齿轮及第2齿轮上、在允许两个齿轮旋转多周的同时使两者相互干扰而阻止所述转子旋转，

通过所述美式卷绕制动装置限制所述驱动轴的可动范围。

2.如权利要求1所述的线性驱动装置，其特征在于，所述第1齿轮为安装在作为驱动源的电动机的输出轴上的小齿轮。

3.如权利要求1所述的线性驱动装置，其特征在于，所述第1齿轮装在电动机的小齿轮的后段。

4.如权利要求3所述的线性驱动装置，其特征在于，在所述电动机的小齿轮与所述第1齿轮间装有其它齿轮。

5.如权利要求1所述的线性驱动装置，其特征在于，在所述第1齿轮与所述第2齿轮的一方设有多个阻止部。

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