JP2004251305A - 相対変位機構 - Google Patents

Abstract

【課題】騒音や相対変位要素の損傷等を伴うことのない円滑な相対変位動作を実現することができる相対変位機構を提供する。
【解決手段】相対変位要素として、金属製の筒状部材（１）と、筒状部材（１）内に一体嵌合された中間部材（３）を介して筒状部材（１）の中心軸線上に位置されたシャフト（５）とを有し、これらの相対変位要素が中心軸線に沿った方向もしくは中心軸線を中心とする周方向に相対変位される相対変位機構である。中間部材（３）は、少なくとも周面の一部を筒状部材（１）の内周面に密に接合させた樹脂製の本体部（７）と、本体部（７）の接合部位の内方に固定配設され、筒状部材（１）の材料の線膨張係数と同一もしくはそれに近い線膨張係数を有した材料によって形成された芯部材（９）とを備える。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対変位要素として、金属製の筒状部材と、該筒状部材内に一体嵌合された中間部材を介して上記筒状部材の軸線上に位置されたシャフトとを有し、これらの相対変位要素を上記軸線に沿った方向、あるいは、該方向および上記軸線を中心とした周方向に相対変位させる相対変位機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、上記のような相対変位機構を用いたリニアアクチュエータの構成を例示している。このリニアアクチュエータは、ステータ巻線１００ａを有するステータ１００と、このステータ１００内に回転可能に固定配置された金属製の中空ロータ（筒状部材）１０１と、この中空ロータ１０１内に固定配設された金属製のボールネジナット（中間部材）１０２と、このボールネジナット１０２を貫通するボールネジシャフト１０３とを備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このリニアアクチュエータにおいては、上記ステータ巻線１００ａの通電に伴って中空ロータ１０１がボールネジナット１０２と共に回転する。それゆえ、上記ステータ１００や中空ロータ１０１等が組み込まれたケース１０４を固定するとともに、ボールネジシャフト１０３を回転不可かつスラスト運動可能に支持すれば、該ボールネジシャフト１０３を図における左右方向に直線運動させることができる。また、ボールネジシャフト１０３を固定するとともに、ケース１０４を回転不可かつスラスト運動可能に支持すれば、該ケース１０４を左右方向に直線運動させることができる。
【０００４】
上記リニアアクチュエータにおいて、中空ロータ１０１の加工精度や、ボールネジナット１０２の加工精度および取付け精度が低い場合、ボールネジナット１０２の周面と中空ロータ１０１の内周面との間に隙間が形成される。この隙間が形成された状態で中空ロータ１０１が回転すると、ボールネジシャフト１０３の軸線に対して中空ロータ１０１の軸線がずれるために、該ボールネジシャフト１０３の振動が発生する。そしてこの振動は、動作不良、ボールネジシャフト１０３の破損、動作寿命の短縮、騒音の発生等の不都合をもたらす。
【０００５】
そこで、従来においては、中空ロータ１０１およびボールネジナット１０２を高精度に加工するとともに、このボールネジナット１０２を中空ロータ１０１にいわゆるインロー嵌合することによって、該ボールネジナット１０２の周面と中空ロータ１０１の内周面との間に隙間が形成されないようにしている。
【０００６】
【特許文献】
実開平１−１２３４７４号
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、上記ボールネジナット１０２を滑り性の良好な樹脂で形成することが多くなっている。この樹脂製のボールネジナットを使用する場合には、たとえ中空ロータ１０１およびボールネジナット１０２の加工精度を高めても、上記のような不都合が発生するおそれがある。
なぜなら、樹脂系材料の線膨張係数は、金属系材料のそれの５〜２０倍程度であることから、常温においてボールネジナット１０２と中空ロータ１０１間に隙間が存在していなくても、駆動に伴う発熱や環境による温度変化のために、ボールネジナット１０２と中空ロータ１０１間に隙間が形成されることになるからである。
【０００７】
例えば、温度が上昇すると、中空ロータ１０１の内周面からの応力によって樹脂製ボールネジナット１０２が潰されるので、温度が常温に戻ったときにボールネジナット１０２と中空ロータ１０１間に隙間が形成される。また、低温下で使用した場合にも、上記線膨張係数の相違のため、ボールネジナット１０２と中空ロータ１０１間に隙間が形成される。そして、上記隙間が一定以上成長すると、ボールネジシャフト１０３が振動することになり、これは前記した動作寿命の短縮、騒音の発生等の不都合をもたらす。
なお、ボールネジナット１０２に代えて、滑りネジナット（ボールを用いない普通のネジナット）を使用する形式のアクチュエータにおいても、該滑りネジナットを樹脂で形成した場合に上記と同様の不都合が発生する。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、騒音や相対変位要素の損傷等を伴うことのない円滑な相対変位動作を実現することができる相対変位機構を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、相対変位要素として、金属製の筒状部材と、該筒状部材内に一体嵌合された中間部材を介して前記筒状部材の中心軸線上に位置されたシャフトとを有し、これらの相対変位要素を前記中心軸線に沿った方向、あるいは、該方向および前記軸線を中心とした周方向に相対変位させる相対変位機構であって、前記中間部材が、少なくとも周面の一部を前記筒状部材の内周面に密に接合させた樹脂製の本体部と、前記本体部の前記接合部位の内方に固定配設され、前記筒状部材の材料の線膨張係数と同一もしくはそれに近い線膨張係数を有した材料によって形成された芯部材と、を備えることを特徴としている。
【００１０】
前記本体部の周面の一部は、該周面の両端部とすることができる。また、前記芯部材は、前記中心軸線に対して同心状に配置され、中心部に前記シャフトを貫通させる孔を備えることができる。
前記中間部材として滑りネジナットを用い、前記シャフトとして該滑りネジナットに螺合する滑りネジシャフトを用いることができる。また、前記中間部材としてブッシュを用い、前記シャフトを該ブッシュに対して摺動自在かつ回転不可に貫通させても良い。
更に、前記筒状部材として円筒体を用い、前記本体部の周面の一部を前記筒状部材に螺合させるようにしても良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る相対変位機構の第１の実施の形態を示す縦断面図である。また図２は、図１のＡ矢視図である。
図１に示す相対変位機構は、筒状部材としての中空シャフト１内に中間部材としての滑りネジナット（ボールを用いない普通のネジナット）３を一体嵌合させ、該滑りネジナット３の中心軸線上、つまり、中空シャフト１の中心線上に滑りネジシャフト（ボールを用いない普通のネジシャフト）５を位置させた構成を有する。
【００１２】
中空シャフト１は、金属で形成された円筒体である。滑りネジナット３は、本体部７と、この本体部７に付設された一対の芯部材９とによって構成されている。上記本体部７は、滑り性の良好な樹脂で形成され、その中心部を貫通する上記滑りネジシャフト５と螺合している。この本体部７は、大径に形成されたその一端部および他端部が中空シャフト１の内周面にインロー嵌合され、かつ、接着等の適宜な手段で上記シャフト１に固定されている。
【００１３】
芯部材９は、上記中空状回転シャフト１を構成する金属材料の線膨張係数と同一もしくはそれに近い線膨張係数を有した材料によってリング状に形成され、上記本体部７の端面に開口する凹部７ａ内に一体嵌合されている。この芯部材９は、本体部７の中心軸線に対して同心状に位置され、その中心部に設けた孔９ａに滑りネジシャフト５を貫通させてある。
なお、芯部材９は、上記中空シャフト１を構成する金属材料と同一の材料で形成することが好ましいが、上記線膨張係数の条件が満たされるのであれば、別の金属材料あるいは非金属材料で形成しても良い。
【００１４】
上記凹部７ａの深さは、中空シャフト１の内周面に当接した上記本体部７の端部の幅の１／２程度に設定されているが、この深さよりも小さくあるいは大きく設定しても良い。また、この凹部７ａの径は、該凹部７ａによって形成された本体部７の薄肉周縁部７ｂが所定の肉厚を有するように設定されている。
一方、上記芯部材９は、その外周面が上記凹部７ａの内周面に密接するように該凹部７ａ内に収納されている。なお、芯部材９は、上記本体部７の成形時に一体状に組み込んでも良く、また、本体部７の成形後に圧入等の手段で上記凹部７ａに嵌合固定させても良い。
【００１５】
この実施の形態に係る相対変位機構をリニアモーションのための運動変換要素として用いる場合には、例えば、滑りネジシャフト５を回転不可かつスラスト運動可能に支持した状態で、中空シャフト１と滑りネジナット３からなるブロックをその軸線を中心として一体回転させる。これにより、滑りネジナット３に螺合された滑りネジシャフト５が図１における左右方向にリニアモーションすることになる。
逆に、中空シャフト１を回転不可かつスラスト運動可能に支持した状態で、滑りネジシャフト５を回転させれば、中空シャフト１と滑りネジナット３からなるブロックが左右方向にリニアモーションする。
【００１６】
この実施の形態に係る相対変位機構は、滑りネジナット３の本体部７の両端部に上記芯部材９が設けられているので、これらの芯部材９と中空シャフト１間に樹脂製本体部７の薄肉周縁部７ｂのみが介在することになる。前記したように、上芯部材９は、中空状回転シャフト１を構成する金属材料の線膨張係数と同一もしくはそれに近い線膨張係数を有する。それゆえ、樹脂の線膨張係数が金属のそれの５〜２０倍程度であるにもかかわらず、上記芯部材９を含む本体部７の端部の線膨張係数は、実質的に中空シャフト１の線膨張係数に近い値を示すことになる。
【００１７】
この結果、この実施の形態に係る相対変位機構によれば、駆動に伴う発熱や環境による温度変化が生じても、中空シャフト１と滑りネジナット本体部７との間における隙間の発生が抑制される。つまり、中空シャフト１と滑りネジナット本体部７とのインロー結合が維持される。インロー結合が維持されれば、上記滑りネジシャフト５の軸心のずれがなくなるので、該滑りネジシャフト５等の振動や損傷を防止することができるとともに、中空シャフト１および滑りネジナット３からなるブロックと滑りネジシャフト５とを円滑に相対変位させることができる。
【００１８】
上記インロー結合の維持性は、上記本体部７の薄肉周縁部７ｂの厚さが小さいほど向上する。樹脂によっては、厚みと弾性変形との関係を計算または実験から導き出すことができる。そこで、この関係を勘案しながら、上記薄肉周縁部７ｂの厚さが可能な限り低減されるように芯部材９の大きさを設定することが望ましい。
なお、上記中空シャフト１は円筒体で形成してあるが、この中空シャフト１を、多角形の筒体（三角筒、四角筒等）で形成しても良い。もちろん、この場合には、滑りネジナット本体部７および芯部材９に中空シャフト１の形状に対応する形状を持たせることになる。
【００１９】
図３は、上記相対変位機構の変形例を示している。この相対変位機構は、上記中空シャフト１、滑りネジナット３、滑りネジシャフト５および芯部材９にそれぞれ対応する中空シャフト１１、滑りネジナット１３、滑りネジシャフト１５および芯部材１９を有する。
中空シャフト１１は、内周面にネジ山１１ａを設けてある。また、滑りネジナット１３は、本体部１７の両端部外周に上記ネジ山１１ａに螺合させるネジ山１７ｃを形成してある。
この相対変位機構では、中空シャフト１１に対して滑りネジナット１３が螺合される。したがって、中空シャフト１１内での滑りネジナット１３の位置調整を該滑りネジナット１３の回転操作によって精度良く行うことができる。
【００２０】
図４は、更に別の変形例を示している。この相対変位機構も、上記中空シャフト１、滑りネジナット３、滑りネジシャフト５および芯部材９にそれぞれ対応する中空シャフト２１、滑りネジナット２３、滑りネジシャフト２５および芯部材２９を有する。
中空シャフト２１は、例えば基準位置よりも右方側の区域のみにネジ山２１ａを形成し、また、滑りネジナット２３は、上記ネジ山２１ａに螺合させるネジ山２７ｃを本体部２７の右端部外周にのみ形成してある。
【００２１】
この相対変位機構においても、中空シャフト２１内での滑りネジナット２３の位置調整を該滑りネジナット１３の回転操作によって行うことができる。なお、本体部２７の左端部外周面は、中空シャフト２１の内周面におけるネジ山２１の不在部位にインロー嵌合される。
なお、図３および図４の例では、中空シャフト１１および２１として円筒体を使用する必要がある。
【００２２】
上記実施の形態においては、芯部材９（１９，２９）を滑りネジ本体部７（１７，２７）の両端部に設けているが、該本体部７（１７，２７）の一端部のみにこの芯部材９（１９，２９）を設けるようにしても実用上充分である。
【００２３】
図５は、本発明に係る相対変位機構の第２の実施の形態を示した縦断面図である。また図６は、図５のＢ矢視図である。
この相対変位機構は、図１に示す中空シャフト１に対応する中空シャフト３１内に中間部材としてのブッシュ３３を一体嵌合させ、該ブッシュ３３の中心軸線上、つまり、中空シャフト３１の中心線上にシャフト３５を位置させた構成を有する。
【００２４】
ブッシュ３３は、図１に示す滑りネジナット３と同一の外形を有し、滑り性の良好な樹脂からなる本体部３７と、図１に示す芯部材９に対応した芯部材３９とによって構成されている。
上記ブッシュ３３の本体部３７は、その中心部に図６に示すような正六角形状の孔３７ｄを有し、この孔３７ｄに正六角形状の周面形状を有した上記シャフト３５を摺動可能に貫通させてある。したがって、上記ブッシュ３３とシャフト３５は、それらの共通軸線を中心として一体回転することができる。
【００２５】
この相対変位機構は、リニアガイドとして使用することができる。すなわち、例えば、シャフト３５をスラスト運動不可に支持すれば、中空シャフト３１とブッシュ３３からなるブロックをシャフト３５でガイドしながら左右方向に直線移動させることができる。そして、上記ブロックを所望の位置まで移動させた状態で、シャフト３５をその中心軸線回りに回転させれば、上記ブロックをこのシャフト３５と共に回転させることができる。
【００２６】
一方、中空シャフト３１とブッシュ３３からなるブロックをスラスト運動不可に支持すれば、シャフト３５をブッシュ３３でガイドしながら左右方向に直線移動させることができる。そして、上記中空シャフト３１とブッシュ３３からなるブロックをその中心軸線回りに回転させれば、該ブロックと共にシャフト３５を回転させることができる。
【００２７】
この実施の形態に係る相対変位機構は、上記ブッシュ３３に芯部材３９を配設してあるので、中空シャフト３１とブッシュ本体部３７との線膨張係数の相違に基づくブッシュ３３の軸線位置のずれを抑制して、円滑な相対変位を実現することができる。
【００２８】
なお、この実施の形態においても、芯部材３９をブッシュ本体部３７の両端部に設けているが、該本体部３７の一端部のみに設けるようにしても良い。
また、回り止めのためのシャフト３５の外周形状は、上記した正六角形状に限定されず、例えば、図７（ａ）〜（ｃ）に示すような形状を採用しても良い。図７（ａ）は円の一部を直線なラインに沿って切除した形状を、同図（ｂ）は正八角形状を、同図（ｃ）は正方形状をそれぞれ示している。また、同図（ｄ）に示すように、円形の外周を有するシャフト３５を使用し、このシャフト３５と前記ブッシュ本体部３７とをキー３５ａで結合するようにしてもよい。
【００２９】
図８は、図１に示す相対変位機構を応用したリニアアクチュエータの構造を示している。
この図８において、モータ部４１は、中空状の回転シャフト４３と、該回転シャフト４３の外周面に取付けたロータ４５と、このロータ４５の周囲に設けたステータ４７とを備えている。
【００３０】
回転シャフト４３は、上記ロータ４５が取付けられた小径部４３ａと、モータ部４１の側方に突出する大径部４３ｂ（図１に示す中空シャフト１に対応している）とを有する。ベアリング４９は、上記大径部４３ｂを回転可能に支持するために設けられている。
【００３１】
モータ部４１は、上記のような構成を有するので、ステータ４７に設けられた図示していないステータ巻線を励磁することによって、ロータ４５および中空回転シャフト４３が一体回転する。なお、ロータ４５は、回転シャフト４３の一部に一体形成することも可能である。
【００３２】
回転シャフト４３の大径部４３ｂ内には、滑りネジナット５１（図１に示す滑りネジナット３に対応している）が嵌合されている。また、回転シャフト４３内には、上記滑りネジナット５１に螺合する滑りネジシャフト５３（図１に示す滑りネジシャフト５に対応している）が同軸状に配設されている。
【００３３】
滑りネジナット５１は、滑り性の良好な樹脂によって形成された本体部５５（図１に示す本体部７に対応している）と、この本体部５５に付設された芯部材５７（図１に示す芯部材９に対応している）とによって構成されている。
上記本体部５５は、一端部および他端部の径が中間部の径よりも大きくなるように形成され、この両端部の周面が上記回転シャフト４３の大径部４３ｂの内周面に密に当接するように、該シャフト４３内にインロー嵌合されている。また、本体部５５は、上記大径部４３ｂの開口端から径外方向に突出するフランジ部５５ａを有し、このフランジ部５５ａをボルト５９で上記大径部４３ｂに締着してある。
【００３４】
芯部材５７は、図１に示した芯部材９に対応するものである。この芯部材５７は、上記回転シャフト４３を構成する金属材料の線膨張係数と同一もしくはそれに近い線膨張係数を有した材料を用いてリング状に形成され、上記本体部５５の一端部および他端部の内の少なくとも一方の端部、例えば、モータ部４１側に位置した端部の内方に同心状に配設されている。
芯部材５７は、上記中空状回転シャフト４３を構成する金属材料と同一の材料で形成することが好ましいが、上記線膨張係数の条件が満たされるのであれば、別の金属材料あるいは非金属材料で形成しても良い。
【００３５】
なお、この例では、芯部材５７を上記本体部５５の成形加工時に樹脂材料中に組み込むようにしているが、成型加工後に圧入等の他の手段を用いて組み込んでも良い。いずれにしても、芯部材５７は、その外周面が本体部５５に充分密着接合するように設けられる。
【００３６】
上記構成のリニアアクチュエータは、前記モータ部４１のロータ４５の回転に伴って中空回転シャフト４３と滑りネジナット５１が一体回転する。したがって、滑りネジシャフト５３を回転不可、かつスラスト運動可能に支持しておけば、滑りネジシャフト５３が図における左右方向にリニアモーションすることになる。
また、モータ部４１のステータ４７等が固定されたケーシング６１を回転不可かつスラスト運動可能に支持するとともに、滑りネジシャフト５３を回転不可かつスラスト運動不可に支持しておけば、ケーシング６１が左右方向にリニアモーションする。
【００３７】
このリニアアクチュエータによれば、滑りネジナット５１に設けられた芯部材５７の作用によって回転シャフト４３の大径部４３ｂと滑りネジナット５１の本体部５５との間における隙間の発生が抑制される。したがって、滑りネジナット５１と滑りネジシャフト５３とを騒音や損傷を伴うことなく円滑かつ安定に相対変位させることができる。
なお、上記リニアアクチュエータでは、滑りネジナット本体部５５の一端部側のみに芯部材５７を設けてあるが、該本体部５５の他端部側にも芯部材５７を設けることができる。
【００３８】
上記リニアアクチュエータは、図１に示す相対変位機構の構成を適用しているが、これに代えて図５に示す相対変位機構の構成を適用することも可能である。この場合、モータ部４１の回転力によってケーシング６１とシャフト（図５のシャフト３５）とが相対回転することになる。
なお、図１、図３、図４および図８に示す樹脂製滑りネジナット３、１３、２３および５５に代えて、樹脂製ボールネジナットを使用しても良い（もちろん、この場合、滑りネジシャフト５，１５，２５、および５３に代えてボールネジシャフトが使用される）。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係る相対変位機構によれば、金属製の筒状部材と樹脂製の中間部材の線膨張係数の相違による影響が除去されて、両者の結合が常に良好に維持されるので、騒音や相対変位要素の損傷等を伴うことのない円滑かつ安定な相対変位動作を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る相対変位機構の実施の形態を示す縦断面図である。
【図２】図１のＡ矢視図である。
【図３】図１の相対変位機構の変形例を示す縦断面図である。
【図４】図１の相対変位機構の他の変形例を示す縦断面図である。
【図５】本発明に係る相対変位機構の他の実施の形態を示す縦断面図である。
【図６】図５のＢ矢視図である。
【図７】シャフトの外周形状を例示した端面図である。
【図８】本発明に係る相対変位機構を備えたリニアアクチュエータの構成例を示す縦断面図である。
【図９】相対変位機構を備えた従来のリニアアクチュエータ構成例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１ 中空シャフト
３，１３，２３，５１ ボールネジナット
５，１５，２５，５３ ボールネジシャフト
７，１７，２７，５５ ネジナット本体部
９，１９，２９，３９，５７ 芯部材
３３ ブッシュ
３５ シャフト
３７ ブッシュ本体部
４１ モータ部
４３ 回転シャフト
４３ａ 小径部
４３ｂ 大径部
４５ ロータ
４７ ステータ
７ｂ 薄肉周縁部
５５ａ フランジ部

Claims (6)

1. 相対変位要素として、金属製の筒状部材と、該筒状部材内に一体嵌合された中間部材を介して前記筒状部材の中心軸線上に位置されたシャフトとを有し、これらの相対変位要素を前記中心軸線に沿った方向、あるいは、該方向および前記軸線を中心とした周方向に相対変位させる相対変位機構であって、前記中間部材が、
   少なくとも周面の一部を前記筒状部材の内周面に密に接合させた樹脂製の本体部と、
   前記本体部の前記接合部位の内方に固定配設され、前記筒状部材の材料の線膨張係数と同一もしくはそれに近い線膨張係数を有した材料によって形成された芯部材と、
   を備えることを特徴とする相対変位機構。
2. 前記本体部の周面の一部は、該周面の両端部であることを特徴とする請求項１に記載の相対変位機構。
3. 前記芯部材は、前記中心軸線に対して同心状に配置され、中心部に前記シャフトを貫通させる孔を備えることを特徴とする請求項１に記載の相対変位機構。
4. 前記中間部材として滑りネジナットを用い、前記シャフトとして該滑りネジナットに螺合する滑りネジシャフトを用いたことを特徴とする請求項１に記載の相対変位機構。
5. 前記中間部材としてブッシュを用い、前記シャフトを該ブッシュに対して摺動自在かつ回転不可に貫通させたことを特徴とする請求項１に記載の相対変位機構。
6. 前記筒状部材として円筒体を用い、前記本体部の周面の一部を前記筒状部材に螺合させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の相対変位機構。

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