JP2005221023A - ボールねじ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】
低コストで、ねじ軸やナットの位置を高精度に測定できるボールねじ機構を提供する。
【解決手段】
ねじ軸１３が回転すると、ナット部材１６はその回転角度に応じて軸線方向に移動する。ここで、テーパ面１６ｃとセンサ１８との距離は、ねじ軸１３に対してナット部材１６が軸線方向に相対的に移動するにつれて変化するので、センサ１８が、テーパ面１６ｃまでの距離を精度良く測定することで、ナット部材１６の軸線方向位置（時間で微分して速度、加速度なども）を精度良く求めることができるのである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ボールねじ機構に関し、例えば車両のオートマチックトランスミッションのシフトアクチュエータや４輪駆動車の２駆・４駆切り替え機構などに用いられると好適な、高精度な位置決めを実現できるボールねじ機構に関する。

ねじ溝を有するねじ軸と、ねじ軸を包囲するナットと、ねじ軸とナットとの間に配置された複数の転動体とからなり、例えばねじ軸の回転運動をナットの軸線方向運動に変換できるボールねじ機構が知られている。ところで、ナットを精度良く位置決めしようとした場合、ナットの位置もしくはねじ軸の回転位置を測定する必要がある（特許文献１参照）。
特開平６−１８７０３９号公報

しかるに、特許文献１の技術は、ねじ軸に磁気スケールを設けたものであるが、磁気の特性により、ねじ軸が高温にさらされることによって着磁が消えやすいという問題がある。従って、特許文献１のボールねじ機構を高温環境下で用いる場合、別個に冷却などの手段が必要となってコスト高や装置の大型化を招く。又、ねじ軸の素材が限定されるので、そのような素材に強い磁気を着磁することは困難であり、その結果検出信号が弱くなるという問題もある。

これに対し、ナットの軸線方向位置検出又はねじ軸の回転変位検出を、安価なポテンショメータを用いて行うことも考えられるが、直線或いは回転運動による摩擦摺動のため、耐久性に問題がある。一方で、歯車をモータの回転軸等に取り付け、歯数のパルス数を電磁式センサ等で検出することも考えられるが、モータの回転数をストロークに換算する場合、歯車がアクチュエータとは別に必要となり、部品点数の増加、コスト高を招く。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、低コストで、ねじ軸やナットの位置を高精度に測定できるボールねじ機構を提供することを目的とする。

第１の本発明のボールねじ機構は、
外周面に外ねじ溝を形成したねじ軸と、
外周に検出面を有し、内周面に内ねじ溝を形成し、前記ねじ軸を包囲するナット（ナット部材ともいう）と、
前記外ねじ溝と前記内ねじ溝との間に配置された複数の転動体と、
前記検出面との距離を検出する検出手段とを有し、
前記検出面と前記検出手段との距離は、前記ねじ軸に対して前記ナットが軸線方向に相対的に移動するにつれて変化することを特徴とする。

第２の本発明のボールねじ機構は、
外周面に外ねじ溝と検出面とを設けたねじ軸と、
内周面に内ねじ溝を形成し、前記ねじ軸を包囲するナットと、
前記外ねじ溝と前記内ねじ溝との間に配置された複数の転動体と、
前記検出面との距離を検出する検出手段とを有し、
前記検出面と前記検出手段との距離は、前記ナットに対して前記ねじ軸が軸線方向に相対的に移動するにつれて変化することを特徴とする。

第１の本発明のボールねじ機構の原理を説明する。図１は、本発明のボールねじ機構の概略構成図である。図１において、軸受１２，１４により不図示のハウジングに対して回転自在に支持されたねじ軸１３の円筒部１３ａ、１３ｂを除く外周面には、ネジ溝１３ｃが形成され、一方、その外周に非回転状態で配置されたナット部材１６の内周面には、ネジ溝１３ｃに対向してネジ溝１６ａが形成され、双方のネジ溝１３ｃ、１６ａによって形成される螺旋状の空間には、多数のボール１７が転動自在に配置されている。更に、ナット部材１６の外周には、ボールをナット部材１６の一端から他端へと戻すチューブ１６ｂが設けられている。ナット部材１６と、ねじ軸１３と、ボール１７とでボールねじ機構を構成する。

本発明のナット部材１６は、その外周面に、検出面であるテーパ面（平面でも円錐面でも良い）１６ｃを有し、これに対向するようにして検出手段であるセンサ１８が、不図示のハウジングに固定されている。センサ１８は、レーザ光等を用いてテーパ面１６ｃまでの距離を測定する光学式センサの他、渦電流式の様な磁気式、静電容量式センサなど、テーパ面１６ｃ間での距離を測定できるセンサであれば適宜利用可能である。

本発明によれば、ハウジングに対してねじ軸１３が回転すると、ナット部材１６はその回転角度に応じて軸線方向に移動する。ここで、テーパ面１６ｃとセンサ１８との距離は、ねじ軸１３に対してナット部材１６が軸線方向に相対的に移動するにつれて変化するので、センサ１８が、テーパ面１６ｃまでの距離を精度良く測定することで、ナット部材１６の軸線方向位置（時間で微分して速度、加速度なども）を精度良く求めることができるのである。

即ち、前記ねじ軸は、前記検出手段を取り付けたハウジングに対して回転可能に支持されており、前記ナットは、前記ハウジングに対して軸線方向に移動可能に支持されていると好ましい。

次に、第１の本発明を別な側面から説明する。図２（ａ）は、本発明のボールねじ機構の概略構成図であり、図２（ｂ）はねじ軸を誇張して示した図である。ここでは、ナット部材１６’の外周面にテーパ面を形成する代わりに、図２（ｂ）に誇張して示すように、ねじ軸１３’のねじ溝１３ｃ’の間のランド部（その外周面が検出面）１３ｄ’の径を、軸線方向にゆくにつれて変化させている。この径変化量はわずかであるので、ナット部材１６’の移動を阻害する恐れはない。尚、本発明では、センサ１８はナット部材１６’に取り付けられ、ランド部１３ｄ’までの距離を測定するようになっている。

本発明によれば、ハウジングに対してねじ軸１３’が回転すると、ナット部材１６’はその回転角度に応じて軸線方向に移動する。ここで、ランド部１３ｄ’とセンサ１８との距離は、ねじ軸１３’に対してナット部材１６’が軸線方向に相対的に移動するにつれて変化するので、センサ１８が、ランド部１３ｄ’までの距離を精度良く測定することで、ナット部材１６’の軸線方向位置を精度良く求めることができるのである。

即ち、前記ねじ軸は、ハウジングに対して回転可能に支持されており、前記検出手段を取り付けた前記ナットは、前記ハウジングに対して軸線方向に移動可能に支持されていると好ましい。

図３は、第２の本発明にかかるボールねじ機構の原理を説明する図であり、ボールねじ機構の概略構成図である。ここでは、ナット部材１６’が不図示のモータに連結され、且つ軸受１２，１４により不図示のハウジングに対して回転自在に支持されている。すなわち、ハウジングに対してナットが回転しねじ軸が軸線方向に移動する例である。ここでも、図２（ｂ）に示すように、ねじ軸１３’のねじ溝１３ｃ’の間のランド部（その外周面が検出面）１３ｄ’の径を、軸線方向にゆくにつれて拡大している。尚、センサ１８は、不図示のハウジングに取り付けられている。

本発明によれば、ねじ軸１３’は非回転状態に支持されているので、ナット部材１６’が回転すると、その回転角度に応じて軸線方向に移動する。ここで、ランド部１３ｄ’とセンサ１８との距離は、ねじ軸１３’に対してナット部材１６’が軸線方向に相対的に移動するにつれて変化するので、センサ１８が、ランド部１３ｄ’までの距離を測定することで、ナット部材１６’の軸線方向位置を求めることができるのである。尚、この例では、センサ１８が、ランド部１３ｄ’に対向するのは、１回転おきであるので、本発明は１回転おきの移動量を検出するのに適している。

即ち、前記ねじ軸は、前記検出手段を取り付けたハウジングに対して回転可能に支持されており、前記ナットは、前記ハウジングに対して軸線方向に移動可能に支持されていると好ましい。

更に、前記検出面は、前記ねじ軸に対して取り付けられる部材に形成されていると好ましい。

以下、添付図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図４は、第１の実施の形態にかかるボールねじ機構を含むリニアアクチュエータの正面図であり、図５は、ねじ軸の端部を示す図である。尚、図４では、電動モータとねじ軸とは分離された状態で示されている。本実施の形態は、図１の発明を適用したものである。

図４において、不図示のハウジングに取り付けられた電動モータ１１の回転軸１１ａは、その先端が回転軸線を中心とした６角柱状の凸部として形成されている。一方、不図示のハウジングに対して軸受１２、１４により両端の円筒軸部１３ａ、１３ｂを回転自在に支持されたねじ軸１３の端部は、回転軸１１ａの形状に対応して、その回転軸線を中心とした断面６角形状の凹部１３ｅが形成されている。凸部１１ａを凹部１３ｅに係合させることで、回転軸１１ａとねじ軸１３とは一体回転可能に連結される。

ねじ軸１３の円筒部１３ａ、１３ｂを除く外周面には、ネジ溝１３ｃ（一部のみ図示）が形成され、一方、その外周に配置されたナット部材１６の内周面には、ネジ溝１３ｃに対向してネジ溝（不図示）が形成され、双方のネジ溝１３ｃ（一方は不図示）によって形成される螺旋状の空間には、多数のボール（不図示）が転動自在に配置されている。更に、ナット部材１６の外周には、センサ１８に対向する部位にテーパ状の内周面１６ｃが設けられ、且つボールをナット部材１６の一端から他端へと戻すチューブ１６ｂが設けられている。ナット部材１６と、ねじ軸１３と、不図示のボールとでボールスクリュー機構ＢＳを構成する。

本実施の形態の動作を説明する。図４において、不図示の電源から電力が供給され、電動モータ１１の回転軸１１ａと共にねじ軸１３が一方向に回転すると、ナット部材１６は、図で右方へ移動するように力を受ける。それにより、ナット部材１６に連結されたリンク部材１９を介して、例えば内燃機関のバルブタイミング機構を駆動するコントロールシャフト（不図示）が一方向へ回転するように駆動される。一方、不図示の電源から逆特性の電力が供給され、電動モータ１１の回転軸１１ａと共にねじ軸１３が他方向に回転すると、ナット部材１６は、図で左方へ移動するように力を受ける。それにより、ナット部材１６に連結されたリンク部材等（不図示）を介して、例えば上述のコントロールシャフト（不図示）が逆方向に回転するように駆動される。従って、本実施の形態にかかるリニアアクチュエータを用いれば、バルブタイミング機構等を任意に制御できることとなる。

本実施の形態によれば、センサ１８が、ナット部材１６の外周のテーパ面１６ｃまでの距離を精度良く測定することで、ナット部材１６の軸線方向位置を精度良く求めることができるのである。

図６は、第２の実施の形態にかかるボールねじ機構を含むリニアアクチュエータの断面図である。図６において、不図示のハウジングに取り付けられた電動モータ１１の回転軸１１ａは、駆動ギヤ２０に連結されており、駆動ギヤ２０は、ナット部材１６の一端に形成された従動ギヤ１６ｃに噛合している。ナット部材１６は、不図示のハウジングに対して軸受１２，１４により回転自在に支持されている。

ナット部材１６により内包されるねじ軸１３は、その外周面に雄ねじ溝１３ｃを形成しており、それに対向してナット部材１６内には雌ねじ溝１６ｄが形成されている。雄ねじ溝１３ｃと雌ねじ溝１６ｄとで囲われる螺旋状の空間（転走路）内には、多数のボール１７が転動自在に配置されている。

更に、ねじ軸１３の一端近傍の外周面には、外方（図で左方）に向かうにつれ縮径した検出面であるテーパ状面１３ｄが形成されている。テーパ状面１３ｄに対向するにようにして、検出手段であるセンサ１８が、不図示のハウジングに取り付けられている。ナット部材１６と、ねじ軸１３と、不図示のボールとでボールスクリュー機構ＢＳを構成する。

本実施の形態の動作を説明する。図６において、不図示の電源から電力が供給され、電動モータ１１の回転軸１１ａから駆動ギヤ２０，従動ギヤ１６ｃを介して動力が伝達され、ハウジングに対してナット部材１６が回転させられると、ねじ軸１３は、軸線方向へ移動するように力を受ける。それにより、ねじ軸１３に連結された、例えば内燃機関のバルブタイミング機構を駆動するコントロールシャフトを駆動できる。

本実施の形態によれば、センサ１８が、ねじ軸１３の軸線方向の移動距離に対応するねじ軸１３の外周のテーパ状面１３ｄまでの距離を精度良く測定することで、ねじ軸１３の軸線方向位置を精度良く求めることができるのである。

図７は、本実施の形態の変形例にかかるボールねじ機構を含むリニアアクチュエータの断面図であるが、モータ等は省略している。本変形例においては、検出面であるテーパ状面１３ｄを、ねじ軸１３の一端近傍に圧入嵌合された環状部材２２の外周面に形成している点のみが異なるので、同様の構成については同じ符号を付すことで説明を省略する。本変形例によれば、環状部材２２のテーパ状面１３ｄを別個に加工できるため、ねじ軸１３の加工を容易に行うことができる。

図８は、本実施の形態の更に別な変形例にかかるボールねじ機構を含むリニアアクチュエータの断面図であるが、モータ等は省略している。本変形例においては、薄い環状部材２２’を外周面に嵌合させている点のみが異なる。同様の構成については同じ符号を付すことで説明を省略する。本変形例によれば、ねじ軸１３が軸線方向に移動して、センサ１８に正対したときに、センサ１８から信号を出力するようにすれば、ねじ軸１３が所定位置まで軸線方向に移動したことを精度良く検出することができる。

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されることなく、その発明の範囲内で変更・改良が可能であることはもちろんである。

第１の本発明のボールねじ機構の概略構成図である。 図２（ａ）は、第１の本発明のボールねじ機構の概略構成図であり、図２（ｂ）はねじ軸を誇張して示した図である。 第２の本発明のボールねじ機構の概略構成図である。 第１の実施の形態にかかるボールねじ機構を含むリニアアクチュエータの正面図である。 ねじ軸の端部を示す図である。 第２の実施の形態にかかるボールねじ機構を含むリニアアクチュエータの断面図である。 本実施の形態の変形例にかかるボールねじ機構を含むリニアアクチュエータの断面図である。 本実施の形態の変形例にかかるボールねじ機構を含むリニアアクチュエータの断面図である。

符号の説明

１１ 電動モータ
１３、１３’ ねじ軸
１６、１６’ ナット部材
１８ センサ

Claims (6)

1. 外周面に外ねじ溝を形成したねじ軸と、
   外周に検出面を有し、内周面に内ねじ溝を形成し、前記ねじ軸を包囲するナットと、
   前記外ねじ溝と前記内ねじ溝との間に配置された複数の転動体と、
   前記検出面との距離を検出する検出手段とを有し、
   前記検出面と前記検出手段との距離は、前記ねじ軸に対して前記ナットが軸線方向に相対的に移動するにつれて変化することを特徴とするボールねじ機構。
2. 前記ねじ軸は、前記検出手段を取り付けたハウジングに対して回転可能に支持されており、前記ナットは、前記ハウジングに対して軸線方向に移動可能に支持されていることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ機構。
3. 前記ねじ軸は、ハウジングに対して回転可能に支持されており、前記検出手段を取り付けた前記ナットは、前記ハウジングに対して軸線方向に移動可能に支持されていることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ機構。
4. 外周面に外ねじ溝と検出面とを設けたねじ軸と、
   内周面に内ねじ溝を形成し、前記ねじ軸を包囲するナットと、
   前記外ねじ溝と前記内ねじ溝との間に配置された複数の転動体と、
   前記検出面との距離を検出する検出手段とを有し、
   前記検出面と前記検出手段との距離は、前記ナットに対して前記ねじ軸が軸線方向に相対的に移動するにつれて変化することを特徴とするボールねじ機構。
5. 前記ナットは、前記検出手段を取り付けたハウジングに対して回転可能に支持されており、前記ねじ軸は、前記ハウジングに対して軸線方向に移動可能に支持されていることを特徴とする請求項４に記載のボールねじ機構。
6. 前記検出面は、前記ねじ軸に対して取り付けられる部材に形成されていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載のボールねじ機構。
   

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