JP2007315512A - 電動リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 モータとボールねじとの間の距離を縮めることにより、モータの外観寸法の影響を受けずに小型化を図ることができる電動リニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】 ナット３が回転自在でねじ軸４が進退自在なボールねじ５と、モータ２０と、このモータ２０の回転をナット３に伝達する駆動伝達系２１と、この駆動伝達系２１に介在してボールねじ５からモータ２０への入力である逆入力を遮断するクラッチ２２とをハウジング２に設置する。この電動リニアアクチュエータ１において、前記モータ２０とクラッチ２２とを同軸上に配置し、前記モータ２０の軸心とボールねじ５の軸心とを直交または斜交の関係に配置する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ボールねじ機構を用いた自動車用等の電動リニアアクチュエータに関し、詳しくはボールねじと逆入力遮断用のクラッチとを併せ持つ電動リニアアクチュエータの構造に関する。

自動車に用いられる伝達機構の一つに、ボールねじとクラッチを併せ持った電動リニアアクチュエータがある。例えば、ピストンの上死点位置を変更し、圧縮比を変えるようにした可変圧縮比エンジンに用いられるものとして、特許文献１に開示されたボールねじアクチュエータ機構が挙げられる。
特許文献１のボールねじアクチュエータ機構では、図５に概略を示すように、ボールねじ５５のナット５３が回転自在に設置されてねじ軸５４が進退のみ自在とされる。これに加え、モータ５０の回転をボールねじ５５のナット５３に伝達する歯車列５６，５７と、この歯車列５６，５７に介在されたクラッチ５２とが設けられている。
このクラッチ５２は、モータ５０の駆動力をナット５３に伝達する一方で、ナット５３側からの逆入力トルクをモータ５０側へ伝達しない逆入力遮断クラッチであるため、モータ５０の焼損等を防止すると共に省電力化に寄与する。
同図のボールねじアクチュエータ機構は、駆動源となるモータ５０とボールねじ５５との間に、上記クラッチ５２および歯車列５６，５７等の減速機構が配置された構造であると共に、モータ５０の軸心と、クラッチ５２の軸心と、ボールねじ５５の軸心とが互いに異なり、これらの軸方向は互いに並列に配置された構造となっている。
特開２００５−２１４０８８号公報

近年、自動車等の車両用電動アクチュエータ機構においても、小型化・軽量化が必要不可欠となってきている。この要求に応えるには、アクチュエータの全ての構成部品を小さくすることが可能であれば、図５の例のような部品配置でもある程度の小型化は可能である。
しかし、モータの性能や特性を変更せずにモータの小型化を図るには、モータの内部構造に多大な変更が余儀なくされる場合があり、特殊仕様のモータとなればモータ自体の市販性が低下し、コストアップの要因となってしまう。したがって、コストアップを抑えつつモータを含めた全ての構成部品を小さくすることは容易でない。

また、図５のような構成において、アクチュエータ全体を小さくするには、モータ５０の軸心とボールねじ５５との軸心間の距離を縮めることが重要である。しかし、仮にモータ５０の外観形状を小さくした場合でも、モータ５０の軸心とボールねじ５５の軸心との間に、クラッチ５２が並列に配置され、さらに、モータ５０とボールねじ５５のナット５３とには所望する減速比を得るための歯車列５６，５７が介在しているため、この軸心間の距離を安易に変えると、歯車列５６，５７の組合せも変更する必要があり、場合によっては適正な減速比が得られないことも生じる。加えて、モータ５０とボールねじ５５との中間に介在するクラッチ５２の配置構造自体も小型化の弊害となっている。

この発明の目的は、モータとボールねじとの間の距離を縮めることにより、モータの外観寸法の影響を受けずに小型化を図ることができる電動リニアアクチュエータを提供することである。

この発明の電動リニアアクチュエータは、ナットが回転自在でねじ軸が進退自在なボールねじと、モータと、このモータの回転をナットに伝達する駆動伝達系と、この駆動伝達系に介在してボールねじからモータへの入力である逆入力を遮断するクラッチとをハウジングに設置した電動リニアアクチュエータにおいて、前記モータとクラッチとを同軸上に配置し、前記モータの軸心とボールねじの軸心とを直交または斜交の関係に配置したことを特徴とする。
なお、上記クラッチは、ボールねじからモータへの入力の遮断を、正逆両回転方向の回転とも遮断するものであっても、また正逆いずれかの回転方向のみの回転を遮断するものであっても良い。また、上記直交または斜交の関係は、モータの軸心を含む平面、またはボールねじの軸心を含む平面に対する投影面上で、直交または斜交の関係にあれば良く、モータの軸心とボールねじの軸心とがねじれの関係にあっても良い。

この構成によると、モータの回転がクラッチを含む駆動伝達系を介してナットに伝えられ、このナットの回転がボールねじの直線進退動作に変換される。この進退動作は、ボールねじに連結された被駆動伝達系に伝達される。この時、ねじ軸に対して被駆動伝達系から軸方向力が与えられナットは回転しようとするが、駆動伝達系に介在するクラッチは、ボールねじからモータへの入力である逆入力を遮断する機能を備えているから、この回転が阻止される。これによって、モータに大きな電流を流してモータによる制動力で位置を保持する必要がなく、省電力化およびモータの焼損等の防止が図られる。また、モータとクラッチとを同軸上に配置しているので、モータとクラッチとの間の駆動伝達系が簡素化されると共にこの部分の占有率が小さくなる。さらに、モータの軸心とボールねじの軸心とを直交または斜交の関係に配置しているので、これらの駆動伝達系における歯車の段数を少なくすることができ、モータの外観寸法に影響を受けずに全体の小型化を図ることができる。

前記モータの軸心とボールねじの軸心とを、直交または斜交の関係に配置する構成として、前記クラッチの出力側に設けられた傘歯車と、この傘歯車に噛み合って前記ナットに結合された傘歯車とでなる傘歯車機構を用いても良い。
このような傘歯車機構を用いるようにすれば、モータとクラッチとを同軸上に配置することとも相俟って、従来では多段となっていた歯車列の段数を１段とすることができる。また、この１段の傘歯車機構によって高減速比を得ることができるから、一対の組合せでは減速に限界がある平歯車の組合せによって高減速比を得る場合に比べて、歯車による駆動伝達系がコンパクト化される。高減速化によって、モータの出力トルクを低く設定することが可能となり、低出力・高回転型の小型モータの採用も可能となり、モータも含めたアクチュエータ全体の小型化も実現できる。

この発明の電動リニアアクチュエータは、自動車用のアクチュエータに使用されるものとしても良い。このように、自動車用のアクチュエータ、例えば、ピストンの上死点位置を変更し圧縮比を変えるようにした可変圧縮比エンジンにおいて、その圧縮比の変更動作を行う機構に用いるようにすれば、ボールねじの伝達効率の良さに加え、エンジン側からの逆入力がクラッチによって遮断され、モータにかかる負荷を低減できる。また、全体が小型化されるからエンジン周辺の限られたスペースでも設置が可能で、その適性が増大する。

この発明の電動リニアアクチュエータは、ナットが回転自在でねじ軸が進退自在なボールねじと、モータと、このモータの回転をナットに伝達する駆動伝達系と、この駆動伝達系に介在してボールねじからモータへの入力である逆入力を遮断するクラッチとをハウジングに設置した電動リニアアクチュエータにおいて、モータとクラッチとを同軸上に配置し、前記モータの軸心とボールねじの軸心とを直交または斜交の関係に配置したため、駆動伝達系を簡素化でき、また、モータとボールねじとの間の距離を縮めることができ、モータの外観寸法の影響を受けずに全体を小型化することが可能となり、小型化・軽量化の要求に応えることができる。

この発明の一実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図１は自動車用として用いられる電動リニアアクチュエータの縦断面図である。この電動リニアアクチュエータ１は、ナット３が回転自在でねじ軸４が進退自在なボールねじ５と、モータ２０と、このモータ２０の回転をナット３に伝達する駆動伝達系２１と、この駆動伝達系２１に介在してボールねじ５からモータ２０への入力である逆入力を遮断するクラッチ２２とを、ハウジング２に設置して構成される。ハウジング２は、複数のハウジング部品２ａ〜２ｃによって組立てられる。ねじ軸４は、その出力端側（図１の左側）が、例えば、図示しないエンジンの可変圧縮機構における進退操作子に連結され、または進退操作子と一体のものとされる。

ボールねじ５は、ねじ軸４とナット３のそれぞれのねじ溝４ａ，３ａ間に複数のボール６を介在させたものであり、ナット３は上記ねじ溝４ａ，３ａ間に介在させたボール６を拾い上げて循環させる循環路（図示せず）を有している。上記循環路は駒部材またはリターンチューブ等によって構成される。ボールねじ５のナット３は、ハウジング２に対して左右一対の軸受７によって回転自在に設置されている。ねじ軸４は、ハウジング２に対してスプラインまたはキー等の回転阻止手段（図示せず）を介して係合しており、軸方向への進退のみ自在で回転不能とされている。

駆動伝達系２１は、モータ２０の出力軸２０ａに同軸上に配置したクラッチ２２および傘歯車機構２３を介し、モータ２０の回転を、軸心方向が９０°異なるナット３に伝達するものである。クラッチ２２の入力軸２２ａは、モータ２０の出力軸２０ａに同軸上に連結され、また、上記入力軸２２ａと同軸のクラッチ２２の出力軸２２ｂには、傘歯車２３ａが同軸的に固定されている。ナット３にはこの傘歯車２３ａに直交関係で噛合する傘歯車２３ｂが同軸的に固定され、両歯車２３ａ，２３ｂによって傘歯車機構２３が構成される。この傘歯車機構２３によって、前記モータ２０の軸心とボールねじ５の軸心とを直交関係とする回転駆動伝達系が構成される。この傘歯車機構２３による回転駆動伝達系は、このような直交関係に限らず斜交関係であっても良い。

上記構成の駆動伝達系２１によって、モータ２０の駆動力は、クラッチ２２を通し、傘歯車機構２３によって、ハウジング２に回転自在に支持されたボールねじ５のナット３に伝達・減速されて、ナット３は回転運動を行い、軸方向の進退動作のみ自在とされたねじ軸４に伝達される。ねじ軸４はその軸方向に沿った直線運動（図１の矢印参照）を行う。この実施形態では、傘歯車機構２３を用いてモータ２０の軸心とボールねじ５の軸心とが直交関係とされている。また、モータ２０の軸心とクラッチ２２の軸心とが同軸とされている。これらにより、モータ２０の外観寸法によらず、ボールねじ５やクラッチ２２の小型化が可能となり、クラッチ２２の周辺部の構造も簡素化され、さらに、モータ２０の位置を自由に設定できる。内部構造の小型化によって、これらを覆うハウジング２等も同様に小さくすることができるため、電動リニアアクチュエータ１の全体が小型化され、軽量化が可能となる。したがって、この電動リニアアクチュエータ１を取付ける周辺構造やスペースを考慮して、モータ２０の位置を最良の配置としたアクチュエータ設計が可能となる。

また、平歯車の組合せで高減速比を得ようとする場合、一対の歯車での減速には限界があるため、歯車を多段に設計する必要があり、アクチュエータの小型化には不向きであるが、傘歯車機構２３、特に高減速比が得られることで知られているハイポイド歯車を用いれば、一対の歯車のみでアクチュエータのサイズを大きくすることなく高い減速比を実現できる。さらに、従来のようにクラッチ周辺部を多段にすることもなく、一対の歯車で高減速比が得られることから、部品点数を減らし、構造を簡素化できる。そして、高減速化によって、モータ２０の出力トルクを低く設定することが可能となり、低出力・高回転型の小型モータの採用も可能となり、モータ２０を含めたアクチュエータ全体の小型化も実現できる。

上記構成の電動リニアアクチュエータ１を例えば可変圧縮比エンジン（図示せず）に用いた場合、モータ２０の回転がクラッチ２２を介してボールねじ５のナット３に伝えられ、ボールねじ５によって直線運動に変換されてエンジンの往復操作子（図示せず）に伝えられる。この場合、ボールねじ５を回転と直線動作の運動変換機構として用いるため、伝達効率が高く、滑りねじ機構に比べて応答速度が高められ、消費電力も少なくて済む。例えば、滑りねじ機構に対して１／３程度の消費電力で済むことが期待できる。ボールねじ５は伝達効率が高いために、往復操作子からねじ軸４に与えられる軸方向力によってナット３が回転しようとするが、クラッチ２２に逆入力制限型のものを用いたため、ナット３からモータ２０側への回転が阻止され、ナット３の回転が阻止されることになる。また、ナット３からモータ２０側への回転が阻止されるため、モータ２０に大きな電流を流してモータ２０による制動力でエンジンの往復操作子の位置を保持する必要がなく、これによっても省電力が図られる。また、モータの焼損等が防止される。

次に、クラッチ２２について説明する。クラッチ２２は、逆入力遮断型、つまりモータ２０からボールねじ５側への回転の伝達は遮断しないが、ボールねじ５からモータ２０側への入力トルクを遮断し、モータ２０にこの入力トルクが伝達されない構造のものであれば良いが、例えば図２〜図４に示すものを用いることができる。

図２ないし図４において、クラッチ２２は、逆入力制限型の２ウェイクラッチであり、モータ２０からナット３への回転は伝達するが、ナット３からモータ２０への回転伝達は遮断する形式のものが使用される。このクラッチ２２は、クラッチ内輪８、クラッチ外輪９、複数の係合子１０、および保持器１１を有する。このクラッチ２２はローラクラッチとされ、上記複数の係合子１０はローラからなる。

クラッチ外輪９は、クラッチハウジング２５内に固定設置され、またはクラッチハウジング２５の一部として構成される。クラッチ内輪８は、クラッチ外輪９内に上記ローラからなる複数の係合子１０を介して同心位置に回転自在に設けられている。クラッチ内輪８は、両側に突出した軸部８ａ，８ｂを有し、これら軸部８ａ，８ｂの外周に設けられた軸受１２，１３を介して、クラッチハウジング２５および保持器１１に対し回転自在に支持されている。クラッチ内輪８の片方の軸部８ａはクラッチ出力軸２２ｂとして延出され、前記傘歯車２３ａに連結されている。

保持器１１は、上記複数の係合子１０を保持する部材であり、底付きの円筒状部１１ａと、この円筒状部１１ａの外底面の中心に軸方向に突出した軸部１１ｂとを有し、円筒状部１１ａの外周でクラッチ外輪９の内周に軸受１４を介して回転自在に支持されている。保持器１１の軸部１１ｂはクラッチ入力軸２２ａとして延出され、モータ２０の出力軸２０ａに連結されている。
図３に示すように、クラッチ外輪９の内径面におけるクラッチ内輪８との対向面は円筒面９ａからなる。クラッチ内輪８は、外径面における円周方向の複数箇所にカム面８ａが形成され、これら各カム面８ａとクラッチ外輪９の円筒面９ａとの間に係合子１０が配置される。カム面８ａは、クラッチ外輪９の円筒面９ａとの間に、係合子１０を噛み込む楔空間を形成する面である。カム面９ａは平坦面とされ、上記楔空間として正逆両方向の楔空間を形成する。両側の楔空間は例えば対称形状とされる。

保持器１１は、各係合子１０を保持するポケット１１ｃを、円筒部１１ａの周方向複数箇所（図では４箇所）に有する。このポケット１１ｃは、係合子１０が遊びを持って嵌まる保持器円周方向幅に形成されている。ポケット１１ｃ内には、係合子１０をポケット１１ｃの中央側へ付勢する弾性体１１ｄが、係合子１０の両側に配置されている。弾性体１１ｄは、例えば板ばねからなり、保持器１１に取付けられている。保持器１１とクラッチ内輪８とは、連結手段１５により回転方向の遊びを持たせて連結される。この連結手段１５は、保持器１１のクラッチ内輪８の側面と対向する側面から軸方向に突出させたスイッチングピン１５ａを、クラッチ内輪８の前記側面に設けられた遊嵌凹部１５ｂに挿入したものである。

係合子１０は、クラッチ内輪８に対して、このクラッチ内輪８に係合しない中立位置（図３に図示された位置）であるカム面８ａの中央位置から、カム面８ａとクラッチ外輪９の円筒面９ａとの間に形成される上記楔空間への最進入位置となる係合作動位置Ｐ２（図４）まで移動可能である。この移動は正逆両方向に可能であり、中立位置と係合作動位置Ｐ２間の２倍の距離だけ、係合子１０はクラッチ内輪８に対して移動可能である。保持器１１とクラッチ内輪８との回転方向の遊びの大きさ、つまり上記スイッチングピン１５ａと遊嵌凹部１５ｂとで許された遊びの大きさＸ（片側の遊びの大きさ）は、係合子１０が中立位置から係合作動位置Ｐ２まで移動する移動量とほぼ同じに設定される。

上記構成のクラッチ２２の作用を説明する。モータ２０の駆動により、モータ２０の出力軸２０ａに連結された保持器１１が、図３の状態から図４（Ａ）のように、図中の時計方向に回転すると、同図のように保持器１１が連結手段２０における回転方向の遊び分だけクラッチ内輪８に対して相対回転する。その保持器１１の回転により、係合子１０が係合作動位置Ｐ２に移動する。この状態から保持器１１が引き続き回転すると、保持器１１とクラッチ内輪８がスイッチングピン１５ａを介して連結した状態になるため、クラッチ内輪８が保持器１１と共に回転し、ボールねじ５のナット３に回転が伝えられる。保持器１１が反時計方向に回転した場合にも、上記と同様の作用により、その回転が保持器１１からクラッチ内輪８を介してナット３に伝達される。ナット３の回転は、ねじ軸４の進退動作に変換される。

上記とは逆に、外部からボールねじ４のねじ軸４にこれを進退移動させる逆入力が加わった場合は、その進退移動がナット３の回転に変換されるが、クラッチ２２によってその回転が阻止され、ねじ軸４の進退動作が阻止される。すなわち、図３の状態から、上記逆入力によりナット３が回転すると、図４（Ｂ）のように保持器１１に対してクラッチ内輪１３が反時計方向に回転し、相対的に係合子１０が係合作動位置Ｐ２に移動する。この位置Ｐ２に来た係合子１０は楔空間の狭まり側に移動しようとすることになってロック状態となり、係合子１０を介してクラッチ内輪８が固定設置のクラッチ外輪９にロックされる。これにより、クラッチ内輪８に傘歯車機構２３を介して連結されたナット３はそれ以上回らなくなり、保持器１１にナット３の回転が伝わらない。すなわち、ナット３からの逆入力が保持器１１に伝達されることが防止される。逆入力によるナット３の回転が時計方向の場合にも、同様の作用により保持器１１への伝達が防止される。

なお、上記実施形態では、クラッチ２２として２ウェイクラッチを用いた場合を例示して説明したが、逆入力制限型のワンウェイクラッチを用いても良い。ワンウェイクラッチとする場合、例えば、モータ２０からナット３への回転は双方向とも伝達するが、ナット３から前記入力部材への回転伝達は、正逆いずれかの方向のみ遮断するものとされる。このようなワンウェイクラッチは、図２に示す２ウェイクラッチ型のクラッチ２２において、内輪８と外輪９の間に双方向の楔空間を形成した構成に代えて、一方向の楔空間を形成することで得られる。また、この発明において、図１に示すアクチュエータの全体構造はこれに限定されず、例えば、ハウジング２の形状およびその部品２ａ〜２ｃ等の構成は、組立性等を勘案して適宜変更し得るものである。

この発明の一実施形態に係る電動リニアアクチュエータの縦断面図である。 同電動リニアアクチュエータのクラッチ部分の拡大断面図である。 同クラッチの横断面図である。 同クラッチの動作説明図である。 従来例の断面図である。

符号の説明

１…電動リニアアクチュエータ
２…ハウジング
３…ナット
４…ねじ軸
５…ボールねじ
２０…モータ
２１…駆動伝達系
２２…クラッチ
２３…傘歯車機構
２３ａ…傘歯車
２３ｂ…傘歯車

Claims (3)

1. ナットが回転自在でねじ軸が進退自在なボールねじと、モータと、このモータの回転をナットに伝達する駆動伝達系と、この駆動伝達系に介在してボールねじからモータへの入力である逆入力を遮断するクラッチとをハウジングに設置した電動リニアアクチュエータにおいて、
   前記モータとクラッチとを同軸上に配置し、前記モータの軸心とボールねじの軸心とを直交または斜交の関係に配置したことを特徴とする電動リニアアクチュエータ。
2. 請求項１において、前記クラッチの出力側に設けられた傘歯車と、この傘歯車に噛み合って前記ナットに結合された傘歯車とでなる傘歯車機構により、前記モータの軸心とボールねじの軸心とを前記直交または斜交の関係とした電動リニアアクチュエータ。
3. 請求項１または請求項２において、自動車用のアクチュエータとして使用されるものである電動リニアアクチュエータ。

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