JP2005155772A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】
被駆動部材側からの逆回転方向トルクを、長期間にわたり安定して保持することができるアクチュエータを提供する。
【解決手段】
フランジ部１０ｂに段付きを設けているので、使用により摩擦部材１５が摩耗することで、フランジ部１０ｂの外側部１０ｄの表面にまで当接するようになる。こうすると、摩擦力の作用する半径方向位置が変位して、Ｒｆ＋Δとなるので、使用により摩擦係数がμ’（＜μ）と低下しても、使用後の制動力を（Ｆ’・（Ｒｆ＋Δ））とできるため、Δを適切な値とすることで、初期状態の制動力（Ｆ・Ｒｆ）と略等しく設定することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、例えば、自動車のパワーウィンドウ、電動パーキングブレーキ装置のワイヤ巻取り機構、電動ディスクブレーキ装置のキャリパ推進機構、自動クラッチレリーズ駆動機構、ＶＶＴ駆動装置、２駆４駆切替機構、一般産業用のウインチ、ホイスト、クレーン、各種位置決め装置、リフタ、介護用ベッド等など電動モータにより被駆動部材を駆動するアクチュエータに関する。

たとえば車両用のクラッチ切替機構として、大小数種類のギヤ（ギヤ列）を用いて電動モータの動力伝達を行う形式のものが知られている（特許文献１参照）。
特開２００１−１６５１９３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の車両用のクラッチ切替機構は、クラッチオフ動作時の位置保持のために、クラッチからの反力による歯車の逆回転を防止すべく、電動モータへ通電し続けなければならず、省エネを図れないという問題がある。又、電動モータに制動トルクを出力させる場合、荷重に抗するために大電流を付与し続けなくてはならず、システム的に効率が悪化するという問題がある。又、そのような荷重に対応するために、モータの定格を増大させる必要があり、それにより重量やコストの増大を招く。

一方、ギヤ列の代わりにウォーム機構を設ければ、ウォームのリード角を小さくすることで、クラッチからの反力に対して逆回転を防止することもできるが、それにより効率が低下するため、必要なトルクを得るためには、電動モータの定格を増大させる必要がある。あるいは、電磁ブレーキ装置などを用いてクラッチからの反力の伝達を防止することも考えられるが、位置保持時に常時通電が必要となり、省エネが図れず、装置の増大・コスト増を招くという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、被駆動部材側からの逆回転方向トルクを、長期間にわたり安定して保持することができるアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明のアクチュエータは、
被駆動部材を駆動するアクチュエータであって、
ハウジングと、
前記ハウジングに取り付けられた電動モータと、
前記電動モータの動力を前記被駆動部材に伝達する動力伝達機構とを備え、
前記動力伝達機構は、
前記電動モータの回転軸に連結された回転要素と、前記被駆動部材に連結された軸線方向移動要素と、前記回転要素と前記軸線方向移動要素との間に配置された転動体とを含み、前記回転要素の回転運動を、前記軸線方向移動要素の軸線方向運動に変換するボールスクリュー機構と、
前記ハウジングに対して一方向にのみ回転が許容される内輪を有するワンウェイクラッチ機構と、
前記回転要素と前記ワンウェイクラッチ機構の内輪との間に設けられ、少なくとも前記回転要素と前記ワンウェイクラッチ機構の内輪の一方に当接する摩擦部材とを有し、
前記摩擦部材が摩耗するに従い、前記摩擦部材と、前記回転要素と前記ワンウェイクラッチ機構の内輪の一方との当接位置は、その回転軸線に対して半径方向に変位することを特徴とする。

本発明のアクチュエータは、被駆動部材を駆動するアクチュエータであって、ハウジングと、前記ハウジングに取り付けられた電動モータと、前記電動モータの動力を前記被駆動部材に伝達する動力伝達機構とを備え、前記動力伝達機構は、前記電動モータの回転軸に連結された回転要素と、前記被駆動部材に連結された軸線方向移動要素と、前記回転要素と前記軸線方向移動要素との間に配置された転動体とを含み、前記回転要素の回転運動を、前記軸線方向移動要素の軸線方向運動に変換するボールスクリュー機構と、前記ハウジングに対して一方向にのみ回転が許容される内輪を有するワンウェイクラッチ機構と、前記回転要素と前記ワンウェイクラッチ機構の内輪との間に設けられ、少なくとも前記回転要素と前記ワンウェイクラッチ機構の内輪の一方に当接する摩擦部材とを有し、前記摩擦部材が摩耗するに従い、前記摩擦部材と、前記回転要素と前記ワンウェイクラッチ機構の内輪の一方との当接位置は、その回転軸線に対して半径方向に変位するので、前記被駆動部材から力を受けた場合には、前記摩擦部材の制動力を用いて前記回転要素の回転をロックでき、前記電動モータが一方向に回転した場合には、前記ワンウエイクラッチが前記回転要素の回転を許容することで前記被駆動部材を駆動でき、前記電動モータが他方向に回転した場合には、前記ワンウエイクラッチは回転しないが、前記摩擦部材が摺動することで前記回転要素が回転することで、前記被駆動部材を駆動できるようになっている。

加えて、本発明においては、前記摩擦部材が摩耗するに従い、前記摩擦部材と、前記回転要素と前記ワンウェイクラッチ機構の内輪の一方との当接位置（当接領域の半径方向中央位置を基準とできる）は、その回転軸線に対して半径方向に変位するようにしているので、たとえば前記摩擦部材が摩滅することにより摩擦係数が減少する場合には、前記当接位置を半径方向外方へと変位させ、逆に前記摩擦部材の摩擦係数が増大する場合には、前記当接位置を半径方向内方へと変位させ、それにより前記回転要素と前記ワンウェイクラッチ機構の内輪との間に、適切な範囲の抵抗力を与えることが可能となる。

更に、前記回転要素はナットを含み、前記軸線方向移動要素はねじ軸を含むと好ましい。

更に、前記回転要素はねじ軸を含み、前記軸線方向移動要素はナットを含むと好ましい。
ることができる。

摩擦部材として、ポリアセタール樹脂や４フッ化エチレン樹脂を用いることにより、安価で耐摩耗性に優れ、ドライでもグリースや油潤滑でも安定した摩擦係数を得ることができる。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態であるアクチュエータの断面図である。図２は、図１の構成をII-II線で切断して拡大し矢印方向に見た図である。図３、４は、図１の矢印IIIで示す部位を拡大して示す図である。

図１において、ハウジング１の一端には、電動モータ２が取り付けられている。電動モータ２の回転軸３は図１の右端側が中空であり、ハウジング１に対して軸受９により回転自在に支持された中空部３ａと、中空部３ａの端部内周に形成された雌セレーション部３ｂとを有している。

円筒状のナット１０は、図１の左端外周において回転軸３の雌セレーション部３ｂに係合する雄セレーション部１０ａを有し、又、図１の右端において半径方向に延在するフランジ部１０ｂを有している。なお、回転軸３は、ハウジング１に対して軸線方向に移動不能に取り付けられているが、ナット１０は、後述する摩耗部材１５の摩耗に応じて軸線方向に移動させる必要があり、よって回転軸３とナット１０とはセレーション結合としているが、セレーション結合でなくキー結合等でもかまわない。。

ナット１０内をねじ軸１１が貫通している。ねじ軸１１は、更に回転軸３の内部まで延在するようになっており、それにより軸線方向にコンパクトな構成を提供している。

ねじ軸１１の図１で左半部外周面には、ねじ溝１１ａ（一部のみ図示）が形成されており、一方、ナット１０の内周面には、ねじ溝１１ａに対向してねじ溝１０ａ（一部のみ図示）が形成され、ねじ溝１０ａ、１１ａによって形成される螺旋状の空間（転送路）には、多数のボール１２が転動自在に配置されている。尚、ナット１０と、ねじ軸１１と、ボール１２とでボールスクリュー機構を構成する。

ねじ軸１１の図１で右半部は丸軸部１１ｂとなっており、その先端は、不図示の被駆動部材に連結されている。なお、ねじ軸１１又は被駆動部材に、軸線方向には移動を許容するが回転は阻止する回り止めが設けられている。被駆動部材は、ねじ軸に対して、図１で矢印で示すように、常に左方に向かって付勢力を発揮している。

ナット１０を内包するようにして、円筒状のホルダ１３が配置され、ハウジング１の内周面に対して、軸受１４により回転自在に支持されている。ホルダ１３は、その内周面から半径方向に延在するフランジ部１３ａを有している。フランジ部１３ａは、円盤状の摩擦部材１５をピン結合しており、摩擦部材１５は、ナット１０のフランジ部１０ｂに対して、相対回転可能に当接している。

さらに、軸受１４に隣接して、ハウジング１の内周面には、ワンウェイクラッチの外輪５が固定されている。図２に示すように、外輪５の内周面には、一方向に進むにつれ軸線から遠くなる複数の斜面５ａが形成されており、かかる斜面５ａと、その内側に配置されたホルダ（ワンウェイクラッチ機構の内輪である）１３との間には、転動自在なころ６が各々配置されている。外輪５，ころ６，ホルダ１３でワンウェイクラッチ機構を構成する。

図３において、ナット１０のフランジ部１０ｂは、摩擦部材１５側の面が段付きとなっている。より具体的には、フランジ部１０ｂの半径方向内側は、肉厚の厚い内側部１０ｃとなっており、内側部１０ｃの半径方向外側は、より肉厚の薄い外側部１０ｄとなっている。なお、摩擦部材１５の当接表面は平面である。従って、初期状態では、図３に示すように、摩擦部材１５は、内側部１０ｃの表面にのみ当接する。

本実施の形態において、動力伝達機構２０は、ワンウェイクラッチ（５，６，１３）と、摩擦部材１５と、ボールスクリュー機構（１２，１０、１１）とから構成される。又、本実施の形態では、ねじ軸１１が軸線方向移動要素、ナット１０及び回転体２３が回転要素を構成する。

本実施の形態の動作について説明する。不図示のバッテリから電動モータ２に電力が供給されると、回転軸３が正回転する。かかる場合、ナット１０も回転軸３と共に回転するが、このとき、ワンウェイクラッチ機構（５，６，１３）がホルダ１３の回転を許容する場合（図でＡ方向）、摩擦部材１５とナット１０のフランジ部１０ｂとの間の制動力に関わらず、ナット１０は殆ど抵抗を受けることなく回転するので、それに応じてねじ軸１１が軸線方向に移動し、不図示の被駆動部材を正方向（例えば図１で左方向）へと移動させることができる。

ここで、不図示のバッテリから電動モータ２への電力供給が停止されたとする。このとき、不図示の被駆動部材から付勢力が伝達され、ねじ軸１１が軸線方向に力を受けることで、ナット１０が回転方向に力を受けるが、摩擦部材１５とナット１０のフランジ部１０ｂとの間に、不図示の被駆動部材からの付勢力に応じた制動力が生じており、さらに、ワンウェイクラッチ機構（５，６，１３）がホルダ１３の回転を阻止しているため、ナット１０の回転は阻止されることとなる。すなわち、被駆動部材の位置を維持するために電動モータ２に常時電力を供給する必要がなく、省エネが図れる。又、位置を維持するための構成部品（たとえば電磁クラッチなど）を用いる必要もなくコンパクト化が図れる。

一方、不図示のバッテリから電動モータ２に逆特性の電力が供給されると、ナット１０は逆回転する。かかる場合、ワンウェイクラッチ機構（５，６，１３）がホルダ１３の回転を阻止しようとするため（図でＢ方向）、ホルダ１３は静止したままとなるが、電動モータ２の回転力は、摩擦部材１５とナット１０のフランジ部１０ｂとの間の制動力（摩擦力）より強いので、ロックされたホルダ１３すなわち摩擦部材１５に対して、ナット１０を滑らせながら相対回転させることでねじ軸１１を軸線方向に移動させることができ、それに応じて被駆動部材（不図示）を逆方向（例えば図１で右方向）へと復帰させることができる。

ここで、摩擦部材１５の摩耗について考察する。上述のように、摩擦部材１５とナット１０のフランジ部１０ｂとの間の制動力は、電動モータ２のトルクより低く、且つ被駆動部材からの付勢力に基づくトルクより高い所定範囲内に設定されている。従って、アクチュエータを長期間使用することにより、摩擦部材１５が摩耗した場合、制動力が所定範囲内を逸脱するおそれがある。これに対し、本実施の形態では、以下のように対策している。

本実施の形態では、摩擦部材１５が摩耗することにより、研磨されたように表面の粗度が小さくなり、摩擦係数が低下することを想定している。まず、初期状態では、図３に示すように、摩擦部材１５は、ナット１０の内側部１０ｃの表面にのみ当接している。使用が継続されるに従い、摩擦部材１５の摩擦面が摩耗し、図４に示すように変形する。すると、ナット１０の外側部１０ｄまで当接するようになる。

図３に示す初期状態の断面図において、摩擦部材１５がフランジ部１０ｂより受ける垂直荷重をＦａとし、初期摩擦係数をμとすると、摩擦部材１５とフランジ部１０ｂとの間に作用する摩擦力Ｆは、Ｆ＝μ・Ｆａとなる。

これに対し、図４に示す使用後の断面図において、摩擦部材１５がフランジ部１０ｂより受ける垂直荷重は変わらずＦａであるが、初期摩擦係数がμ’に低下したとすると、摩擦部材１５とフランジ部１０ｂとの間に作用する摩擦力Ｆ’は、Ｆ’＝μ’・Ｆａとなる。

ここで、摩擦部材１５とフランジ部１０ｂとの間の制動力は、モーメントすなわち（摩擦力×回転軸線からの距離）で表せる。従って、フランジ部１０ｂに段付きがない場合においては、摩擦力の作用する半径方向位置（回転軸線から摩擦面の中央位置までの距離）Ｒｆが不変であるため、使用後の摩擦係数がμ’（＜μ）となった場合には、使用後の制動力（Ｆ’・Ｒｆ）は、初期状態の制動力（Ｆ・Ｒｆ）より低下することとなって、場合によっては、被駆動部材の付勢力に耐えられないおそれがある。

これに対し、本実施の形態では、フランジ部１０ｂに段付きを設けているので、使用により摩擦部材１５が摩耗することで、フランジ部１０ｂの外側部１０ｄの表面にまで当接するようになる。こうすると、摩擦力の作用する半径方向位置が変位して、Ｒｆ＋Δとなるので、使用により摩擦係数がμ’（＜μ）と低下しても、使用後の制動力を（Ｆ’・（Ｒｆ＋Δ））とできるため、Δを適切な値とすることで、初期状態の制動力（Ｆ・Ｒｆ）と略等しく設定することができる。

なお、上述の実施の形態では、フランジ部１０ｂの段付きを１段としているため、摩擦力の半径方向位置の変位は、使用中に１回生じることとなるが、フランジ部１０ｂの段付きを２段以上とすることで、摩擦力の半径方向位置の変位を、使用中に２回以上生じさせることも可能である。それにより、摩擦係数等の変化に応じて、制動力を精度よく調整できる。

さらに、制動力をより細かく調整するために、図５に示す変形例のように、フランジ部１０ｂ’の外側部１０ｄ’を、半径方向外方にゆくにつれて摩擦部材１５から離隔するテーパ面とすることもできる。かかる変形例の場合、摩擦部材１５が摩擦することで、漸次摩擦力の半径方向位置が変位することとなる。また、摩擦面をテーパ(軸線との角度θ）とすることにより、同一の付勢力（Ｆａ）でも摩擦面への垂直抗力をより増加させることができる。

さらに、制動力をより細かく調整するために、図６に示す変形例のように、フランジ部１１０ｂ’の内側部１１０ｃ’を、半径方向内方にゆくにつれて摩擦部材１５から離隔するテーパ面とすることもできる。かかる変形例の場合、摩擦部材１５が摩擦することで、漸次摩擦力の半径方向位置が内方に変位することとなり、制動力（モーメント）は減少する方向となるが、テーパ面であることから、上述したように同一の付勢力（Ｆａ）でも摩擦面への垂直抗力をより増加させることができるから、トータルの制動力は増大することとなる。

図７は、別な実施の形態を示す図３と同様な断面図である。摩擦部材１５の素材によっては、その摩擦係数が使用により増大する場合もある。本変形例は、そのような場合に対応したナットの形状を示している。より具体的には、フランジ部１１０ｂの半径方向内側は、肉厚の薄い内側部１１０ｃとなっており、内側部１１０ｃの半径方向外側は、より肉厚の厚い外側部１１０ｄとなっている。従って、初期状態では、摩擦部材１５は外側部１１０ｄの表面にのみ当接する。

本実施の形態の場合、使用により摩擦部材１５が摩耗することで、フランジ部１１０ｂの外側部１１０ｃの表面にまで当接するようになる。こうすると、摩擦力の作用する半径方向位置が内方に変位するので、使用により摩擦係数が増大しても、使用後の制動力を初期状態の制動力と略等しく設定することができる。その他の点については、上述の実施の形態と同様であるので説明を省略する。

図８、９は、さらに別な実施の形態を示す図３、４と同様な断面図である。上述した実施の形態においては、ナット１０のフランジ部１０ｂを段付き形状としているが、本実施の形態では、ナット２１０のフランジ部２１０ｂを平坦とし、その代わりに摩擦部材２１５の表面を段付きとしている。より具体的には、摩擦部材２１５の半径方向内側は、肉厚の薄い内側部２１５ａとなっており、内側部１１０ｃの半径方向外側は、より肉厚の厚い外側部２１５ｂとなっている。従って、初期状態では、摩擦部材２１５の内側部２１５ａの表面のみが、フランジ部２１０ｂの表面に当接する。

本実施の形態の場合、使用により摩擦部材２１５の内側部２１５ａが摩耗することで、図９に示すように、外側部２１５ｂの表面までがフランジ部２１０ｂに当接するようになる。こうすると、摩擦力の作用する半径方向位置が内方に変位し、当接面積も増大することから、使用により摩擦係数が増大しても、使用後の制動力を初期状態の制動力と略等しく設定することができる。その他の点については、上述の実施の形態と同様であるので説明を省略する。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、ねじ軸を電動モータで回転させ、ナットを軸線方向に移動させる構成においては、回転体をねじ軸に連結しても良い。この場合、ナットが軸線方向移動要素、ねじ軸及び回転体が回転要素となる。更に、摩擦部材は、必ずしもホルダにピン結合されている必要はなく接着等でもよく、さらにはナット側に取り付けられていてもよい。又、摩擦部材を使用しないで、ホルダとナットを直接摺動させてもよい。この場合、摩擦部材の分だけ部品点数の削減につながる。

第１の実施の形態であるアクチュエータの断面図である。 図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。 図１の矢印IIIで示す部位を拡大して示す図であり、初期状態を示す。 図１の矢印IIIで示す部位を拡大して示す図であり、使用後の状態を示す。 変形例にかかる図３と同様な断面図である。 別な変形例にかかる図３と同様な断面図である。 第２の実施の形態にかかる図３と同様な断面図である。 第３の実施の形態にかかる図３と同様な断面図である。 第３の実施の形態にかかる図４と同様な断面図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 電動モータ
３ 回転軸
５ 外輪
６ ころ
１０、１０’、１１０ ナット
１１ ねじ軸
１３ ホルダ
１５、２１５ 摩擦部材

Claims (3)

1. 被駆動部材を駆動するアクチュエータであって、
   ハウジングと、
   前記ハウジングに取り付けられた電動モータと、
   前記電動モータの動力を前記被駆動部材に伝達する動力伝達機構とを備え、
   前記動力伝達機構は、
   前記電動モータの回転軸に連結された回転要素と、前記被駆動部材に連結された軸線方向移動要素と、前記回転要素と前記軸線方向移動要素との間に配置された転動体とを含み、前記回転要素の回転運動を、前記軸線方向移動要素の軸線方向運動に変換するボールスクリュー機構と、
   前記ハウジングに対して一方向にのみ回転が許容される内輪を有するワンウェイクラッチ機構と、
   前記回転要素と前記ワンウェイクラッチ機構の内輪との間に設けられ、少なくとも前記回転要素と前記ワンウェイクラッチ機構の内輪の一方に当接する摩擦部材とを有し、
   前記摩擦部材が摩耗するに従い、前記摩擦部材と、前記回転要素と前記ワンウェイクラッチ機構の内輪の一方との当接位置は、その回転軸線に対して半径方向に変位することを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記回転要素はナットを含み、前記軸線方向移動要素はねじ軸を含むことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記回転要素はねじ軸を含み、前記軸線方向移動要素はナットを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
   

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