JP2006144915A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで、位置検出を精度良く行えるアクチュエータを提供する。
【解決手段】下方の検出器１１０Ｂから非接触信号が出力され、上方の検出器１１０Ａから接触信号が出力されているため、ナット１０７は図で右方の所定位置にあると判断できる。ナット１０７が左方に移動したとすると、下方の検出器１１０Ｂのボール１１０ｄが凹部１０７ｃからナット１０７の外周面へと押し上げられ、双方の検出器１１０Ａ，１１０Ｂから接触信号が出力され、ナット１０７は、所定位置以外の位置にあると判断できる。その後、ナット１０７が所定距離移動することで、上方の検出器１１０Ａのボール１１０ｄのみが凹部１０７ｂに係合することとなるので、検出器１１０Ａのみから非接触信号が出され、ナット１０７は図で左方の所定位置にきたと判断できる。２つの検出器１１０Ａ、１１０Ｂから、ナット１０７の位置を判断し、モータ１０６の駆動制御を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボールねじ機構を備えたアクチュエータに関し、例えば、車両の自動変速機のシフトレンジを切り替えたり、４輪駆動車両において２輪駆動と４輪駆動とを切り替える等のために用いられると好適なアクチュエータに関する。

同期かみ合い式変速機において、モータを動力源として、複数のシフトフォーク軸の任意の１つを軸方向に移動させることによってセレクトする電動式セレクト・シフト装置が特許文献１に開示されている。
特開２０００−３５１２７号公報 特開平５−２５６３５９号公報

ところで、電動式セレクト・シフト装置において、適切なシフト駆動制御を行うためには、セレクト・シフト軸の位置を精度良く検出することが必要となる。ここで、特許文献１の技術では、セレクト・シフト軸の軸方向における位置と回転方向における位置とを検出するセンサが設けられている。かかるセンサについて、特許文献１に具体的な記載がないが、特許文献２の記載等から、ポテンシオメータやエンコーダを用いたセンサを想定していると考えられる。ところが、ポテンシオメータやエンコーダ等は、比較的高価であることが多く、アクチュエータのコスト増を招くこととなる。一方、ポテンシオメータやエンコーダ等は、アナログ的に位置検出を行うものであるのに対し、例えばセレクト・シフト軸の位置を検出するに当たっては、必ずしもアナログ的に検出する必要はないという実情もある。

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、低コストでありながら、所定の位置検出を精度良く行えるアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明のボールねじ機構は、
ハウジングと、
外周面に雄ねじ溝を形成し、軸線方向に移動不能であって回転可能に支持されたねじ軸と、
前記ねじ軸を包囲するように配置され且つ内周面に雌ねじ溝を形成し、回転不能であって軸線方向に移動可能に支持されたナットと、
対向する両ねじ溝間に形成された転走路に沿って転動自在に配置された複数のボールと、
前記ハウジングに取り付けられ、検出子を備えた検出器と、を有し、
前記ナットの外周面には、前記ナットの軸線方向移動に応じて前記検出子が係合状態もしくは非係合状態をとる凹部が形成されており、
前記検出器は、前記検出子と前記凹部とが前記係合状態及び前記非係合状態の一方から他方へと変化したことを検出するようになっていることを特徴とする。

本発明のアクチュエータは、前記ハウジングに取り付けられ、検出子を備えた検出器を有しており、前記ナットの外周面には、前記ナットの軸線方向移動に応じて前記検出子が係合状態もしくは非係合状態をとる凹部が形成されており、前記検出器は、前記検出子と前記凹部とが前記係合状態及び前記非係合状態の一方から他方へと変化したことを検出するようになっているので、前記検出器が、前記検出子と前記凹部とが前記係合状態及び前記非係合状態の一方から他方へと変化したことを、例えば前記検出子の移動などに応じて検出することで、高価なポテンシオメータなどを用いることなく簡易且つコンパクトな構成ながら、前記ナットの軸線方向位置を精度良く検出することができるのである。

更に、前記検出子が係合状態にあるときに、前記検出子と前記凹部との接線と、前記ナットの軸線とのなす角度は、５度以上５０度以下であると、前記検出子の検出感度を確保すると共に、前記係合状態及び前記非係合状態の一方から他方への前記検出子の移行動作を円滑に行うことができ、衝撃や異音などを軽減できる。

更に、前記凹部と前記ナットの外周面とは、所定の曲率半径を有する曲面を介して接合されていると、前記係合状態及び前記非係合状態の一方から他方への前記検出子の移行動作を円滑に行うことができ、衝撃や異音などを軽減できる。

更に、前記ナットの端面と外周面との間には面取り部が設けられており、前記ボールが前記面取り部に接触したときに、前記ボールと前記面取り部との接線と、前記ナットの軸線とのなす角度は、５度以上５０度以下であると、初期組み付け時に、前記ナットの外周への前記検出子の係合を円滑に行うことができ、衝撃や異音などを軽減できる。

更に、前記面取り部と前記ナットの外周面とは、所定の曲率半径を有する曲面を介して接合されていると、初期組み付け時に、前記ナットの外周への前記検出子の係合を円滑に行うことができ、衝撃や異音などを軽減できる。

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、シフトセレクト装置に搭載できるアクチュエータの軸線方向断面図である。尚、ねじ軸は簡略化して図示している。図２は、図１の構成の矢印II部を拡大して示す図である。図１において、ハウジング１０１は、中空のハウジング本体１０１Ａと、その端部を遮蔽するハウジング蓋１０１Ｂとからなる。ハウジング本体１０１Ａには軸受１０２が配置され、ハウジング蓋１０１Ｂには軸受１０３が配置されている。軸受１０２，１０３によって、ハウジング１０１に対しねじ軸１０４が回転自在に且つ軸線方向移動不能に支持されている。

ねじ軸１０４の図で右端には、セレーション結合によりウォームホイール１０５が一体的に回転するように取り付けられている。ウォームホイール１０５は、モータ１０６の回転軸に連結されたウォーム（不図示）に噛合している。

ねじ軸１０４の外周面には、雄ねじ溝が形成されている。軸線方向に移動可能となるように支持された略円筒状のナット１０７は、ねじ軸１０４を包囲するように配置され且つ内周面に雌ねじ溝を形成している。複数のボール（不図示）が、対向する両ねじ溝間に形成された螺旋状の転走路内を転動自在となるように配置されている。ナット１０７の図で上部及び下部には、軸線方向に離れて２カ所に凹部１０７ｂ、１０７ｃが設けられている。ねじ軸１０４，ナット１０７，ボールでボールねじ機構を構成する。

ナット１０７の外周には、出力アーム１０９の一端が取り付けられている。図で紙面垂直方向に延在する出力アーム１０９は、ハウジング１０１に形成された長孔（不図示）を介して外方へと延在し、不図示のシフトフォークに連結されている。ナット１０７が軸線方向へ移動すれば、出力アーム１０９も一体的に移動し、その動力を用いて不図示のシフトフォークを駆動し、シフトを行うようになっている。尚、出力アーム１０９と長孔は、ナット１０７の回り止めの機能も有する。

ハウジング本体１０１Ａの上部及び下部に形成されたねじ孔１０１ｂ、１０１ｃには、それぞれ検出器１１０Ａ、１１０Ｂが取り付けられている。同様な構成である各検出器１１０Ａ、１１０Ｂは、中空孔を有する本体１１０ａと、中空孔内において並行して配置された一対の接片（弾性体）１１０ｂ、１１０ｃと、接片１１０ｂ、１１０ｃより外方に配置されたボール（検出子）１１０ｄとからなる。

図１で上方の検出器１１０Ａのように、ボール１１０ｄが、凹部１０７ｂ、１０７ｃに係合していない状態（非係合状態）のときは、ナット１０７の外周面から押し上げられたボール１１０ｄにより接片１１０ｂが押されて接片１１０ｃに接触しており、それにより検出器１１０から接触信号が出される。一方、図１で下方の検出器１１０Ｂのように、ボール１１０ｄが、凹部１０７ｂ、１０７ｃに係合している状態（係合状態）のときは、ナット１０７の外周面からのボール１１０ｄの押し上げ量が減るため、接片１１０ｂが接片１１０ｃから離隔し、それにより検出器１１０から非接触信号が出される。

本実施の形態の動作を説明すると、電動モータ１０６からの動力がウォーム及びウォームホイール１０５により減速されつつねじ軸１０４に伝達されると、回転運動がナット１０７の軸線方向運動に効率よく変換され、出力アーム１０９を介して不図示の被駆動部材を軸線方向に移動させることができる。

ここで、図１に示す状態では、下方の検出器１１０Ｂから非接触信号が出力され、上方の検出器１１０Ａから接触信号が出力されているため、かかる信号よりナット１０７は図で右方の所定位置にあると判断できる。かかる状態から、ナット１０７が左方に移動したとすると、下方の検出器１１０Ｂのボール１１０ｄが凹部１０７ｃからナット１０７の外周面へと押し上げられるため、双方の検出器１１０Ａ，１１０Ｂから接触信号が出力される。それによりナット１０７は、所定位置以外の位置にあると判断できる。その後、ナット１０７が所定距離移動することで、上方の検出器１１０Ａのボール１１０ｄのみが凹部１０７ｂに係合することとなるので、検出器１１０Ａのみから非接触信号が出される。かかる信号よりナット１０７は図で左方の所定位置にきたと判断できる。即ち、２つの検出器１１０Ａ、１１０Ｂからの出力信号を検出することによって、ナット１０７がいずれの位置にあるかを判断することができ、それによりモータ１０６の駆動制御を行うことができる。尚、ナット１０７が１つの所定の位置にあるか否かのみを検出する場合には、検出器は１つで足りる。

更に、本実施の形態において、検出子であるボール１１０ｄが凹部１０７ｂ又は１０７ｃに係合している間は、弾性体である接片１１０ｂの付勢力により、ボール１１０ｄが凹部１０７ｂ又は１０７ｃに向かって押圧されるので、ナット１０７を軸線方向に移動させるには、ボール１１０ｄを押し戻す力が必要になる。即ち、ある程度弾性力の強い接片１１０ｂを用いることで、ボール１１０ｄが凹部１０７ｂ又は１０７ｃに係合する位置を、シフトセレクト位置として保持することができることとなる。従って、電磁クラッチなどを用いることなく、ナット１０７の軸線方向の位置が保持されることとなり、動作に当たって通電が不要であり省エネが図れると共に、低コスト且つコンパクトなアクチュエータを提供できる。

ここで、凹部１０７ｂ、１０７ｃの形状について考察する。図２において、凹部１０７ｂ（１０７ｃも同じ）は円錐形状を有しているが、その斜面の傾斜角度θ（軸線方向断面において凹部１０７ｂの斜面がナット１０７の軸線と交差する角度を言うものとする）が問題である。傾斜角度が大きすぎれば、係合状態から非係合状態への移行におけるボール１１０ｄの垂直方向移動量Δ（即ち検出ストローク）を大きく確保できるが、ボール１１０ｄの係脱時（係合状態から非係合状態への移行時）の抵抗が大きくなると共に、係合時（非係合状態から係合状態への移行時）の衝撃が大きくなる。

かかる問題に対して、発明者は、傾斜角度について鋭意検討を行ったところ、以下の結果を得た。まず、表１に、傾斜角度θと、摩擦係数μを０．１としたときのラジアル荷重に対するアキシャル荷重との関係を示す。表１の結果によれば、５０度以下であれば、ラジアル荷重に対するアキシャル荷重の比率を１．７２倍以下に抑えることができるので、ボール１１０ｄの係脱時の抵抗を小さく抑えることができ、円滑な動作を確保できると共に、モータ１０６の起動トルクを小さくすることで省エネを図れる。一方、傾斜角度θの下限であるが、誤検出を防止するために、検出ストロークΔは１ｍｍ以上であることが好ましい。しかしながら、傾斜角度θが５度未満であると、ボール１１０ｄをΔ＝１ｍｍだけラジアル方向に移動させようとすると、アキシャル方向に１０ｍｍより大きく移動させなくてはならず、従って凹部１０７ｂの範囲が大きくなるため、ナット１０７の大型化を招くこととなる。以上の検討結果より、傾斜角度θは５度以上５０度以下が好ましいといえる。

更に、ナット１０７の外周面１０７ｄと、凹部１０７ｂの斜面との交差部がとがっていると、係合時或いは係脱時にボール１１０ｄに摩耗やキズ付きなどの恐れがあり、また動作時にボール１１０ｄの引っかかりなどを招いて検出エラーが生じる恐れもある。そこで、本実施の形態においては、図２に示すように、ナット１０７の外周面１０７ｄと、凹部１０７ｂの斜面とを所定の曲率半径Ｒを有する曲面１０７ｅを介して接合するようにしている。

図３は、ナット１０７の端面を拡大して示す図である。アクチュエータの製造時に、ボール１１０ｄの突出量を測定してから、ナット１０７を組み付ける場合がある。かかる場合、ナット１０７の端面１０７ｆが外周面１０７ｄと直角に交差していると、ボール１１０ｄをナット１０７の外周面１０７ｄに係合させる際に、引っかかりなどが生じる恐れがある。そこで、本実施の形態においては、ナット１０７の端面１０７ｆと外周面１０７ｄとの間に面取り部１０７ｇを形成している。面取り部１０７ｇの傾斜角度θ’は、上述した凹部１０７ｂ、１０７ｃの傾斜角度θと同様な理由により、５度以上５０度以下であることが好ましい。

更に、ナット１０７の外周面１０７ｄと面取り部１０７ｇ、及び端面１０７ｆと面取り部１０７ｇとの交差部がとがっていると、組み付け時にボール１１０ｄに摩耗やキズ付きなどの恐れがある。そこで、本実施の形態においては、図３に示すように、外周面１０７ｄと面取り部１０７ｇとを所定の曲率半径Ｒを有する曲面１０７ｈを介して接合し、且つ端面１０７ｆと面取り部１０７ｇとを、所定の曲率半径Ｒを有する曲面１０７ｊを介して接合するようにしている。

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、凹部の数は、１つもしくは３つ以上の任意の数とすることができる。又、検出器は上述したタイプに限らない。一例としては、凹部に係合するために移動した検出子を磁気や光を使って検出するものが考えられる。更に、モータからねじ軸への動力伝達は、歯車、ベルト、摩擦車、リンク機構など各種の媒体を用いることができる。凹部は円錐形状でなく、軸線に直交する断面がＶ字形状の溝でも良い。

本実施の形態である、シフトセレクト装置に搭載できるアクチュエータの軸線方向断面図である。 図１の構成の矢印II部を拡大して示す図である。 ナット１０７の端面を拡大して示す図である。

符号の説明

１０１ ハウジング
１０１Ａ ハウジング本体
１０１Ｂ ハウジング蓋
１０１ｂ 孔
１０２，１０３ 軸受
１０４ ねじ軸
１０５ ウォームホイール
１０６ モータ
１０７ ナット
１０７ｂ 凹部
１０７ｃ 凹部
１０７ｄ 外周面
１０７ｅ 曲面
１０７ｆ 端面
１０７ｇ 面取り部
１０７ｈ 曲面
１０７ｊ 曲面
１０９ 出力アーム
１１０Ａ，１１０Ｂ 検出器
１１０ａ 本体
１１０ｂ 接片
１１０ｃ 接片
１１０ｄ ボール

Claims (5)

1. ハウジングと、
   外周面に雄ねじ溝を形成し、軸線方向に移動不能であって回転可能に支持されたねじ軸と、
   前記ねじ軸を包囲するように配置され且つ内周面に雌ねじ溝を形成し、回転不能であって軸線方向に移動可能に支持されたナットと、
   対向する両ねじ溝間に形成された転走路に沿って転動自在に配置された複数のボールと、
   前記ハウジングに取り付けられ、検出子を備えた検出器と、を有し、
   前記ナットの外周面には、前記ナットの軸線方向移動に応じて前記検出子が係合状態もしくは非係合状態をとる凹部が形成されており、
   前記検出器は、前記検出子と前記凹部とが前記係合状態及び前記非係合状態の一方から他方へと変化したことを検出するようになっていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記検出子が係合状態にあるときに、前記検出子と前記凹部との接線と、前記ナットの軸線とのなす角度は、５度以上５０度以下であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記凹部と前記ナットの外周面とは、所定の曲率半径を有する曲面を介して接合されている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。
4. 前記ナットの端面と外周面との間には面取り部が設けられており、前記ボールが前記面取り部に接触したときに、前記ボールと前記面取り部との接線と、前記ナットの軸線とのなす角度は、５度以上５０度以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアクチュエータ。
5. 前記面取り部と前記ナットの外周面とは、所定の曲率半径を有する曲面を介して接合されていることを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。
   

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