JP2009121538A - ボールねじ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ボールねじの軌道部に圧痕が発生することを防止したボールねじ装置を提供する。
【解決手段】 ねじ軸3の外周に固定された内筒21と、モータロータ11の内周に固定された外筒22と、内筒21と外筒21との間に封入された電気粘性流体23と、内筒21と外筒22との間に制御電圧を印加する電圧印加手段24と、ストッパ14がハウジング6bに衝突したときの衝撃荷重を検出してこれを電圧印加手段24に出力するセンサ25とを備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ボールねじ装置に関し、特に、モータと一体化されたボールねじ装置に関する。

ねじ軸およびこれにボールを介してねじ合わされたボールねじナットを備えているボールねじ装置は、電動アクチュエータ用や緩衝器用としてよく使用されており、例えば、特許文献１には、ボールねじナットにモータのロータを接続することで、ボールねじナットが回転して、ねじ軸が軸方向に直線移動する形態とされたボールねじ装置を電動アクチュエータに適用することが開示されている。
特開平６−３００１０６号公報

ボールねじ装置では、過大軸力が負荷されると、ボールねじの軌道部に圧痕が発生することがあり、特に、モータロータが一体化されたボールねじ装置において、回転または直進が急停止させられると、モータロータの回転慣性力が大きいために、圧痕発生の可能性が増加する。ボールねじ軌道の圧痕を防止するには、ボールねじ装置全体を大きくして強度を上げればよいが、このようにすると、慣性モーメントが増加するので好ましくない。

この発明の目的は、ボールねじの軌道部に圧痕が発生することを防止したボールねじ装置を提供することにある。

この発明によるボールねじ装置は、ねじ軸およびこれにボールを介してねじ合わされたボールねじナットと、ねじ軸を保持するハウジングと、ハウジングのモータ収容部内に配されてねじ軸またはボールねじナットを回転させるモータと、ねじ軸とボールねじナットとが所定量以上相対直進移動した際にハウジングに衝突するストッパとを備えており、ねじ軸およびボールねじナットのいずれか一方がボールねじ回転部材、同他方がボールねじ直進部材とされて、ボールねじ回転部材がモータのロータに結合されるボールねじ装置において、ボールねじ回転部材の外周に固定された内筒と、筒状とされているモータロータの内周に固定された外筒と、内筒と外筒との間に封入された電気粘性流体と、内筒と外筒との間に制御電圧を印加する電圧印加手段と、ストッパがハウジングに衝突したときの衝撃荷重を検出してこれを電圧印加手段に出力するセンサとをさらに備えていることを特徴とするものである。

従来、ボールねじ回転部材とモータのロータ（モータロータ）とは、常に一体に回転するように結合されているのに対し、ボールねじ回転部材とモータロータとは、印加される電圧が制御可能な電気粘性流体を介して結合される。電気粘性流体は、印加される電圧に応じて粘性が変化する（電圧を上げれば粘度が増大する）もので、内筒と外筒との間に封入された電気粘性流体の粘度が小さい場合には、両者は相対回転が容易となり、電気粘性流体の粘度が大きい場合には、両者は一体回転する。ボールねじ装置は、通常、電気粘性流体に電圧が印加された状態とされ、この場合には、電気粘性流体の粘度が増大（固化）するので、内筒と外筒とが一体化され、ボールねじ回転部材とモータロータとは一体で回転する。ストッパがハウジングに衝突したときには、この衝撃荷重がセンサによって検出され、コントローラへの衝撃荷重の入力値が閾値を超えた場合には、コントローラは、電気粘性流体に印加されている電圧を低下させる。これにより、内筒と外筒とは相対回転可能となり、ボールねじ回転部材とモータロータとは切り離される。

ここで、ボールねじ回転部材は、ねじ軸とされることがあり、また、ボールねじナットとされることがある。ボールねじナットが回転する場合にはこれに中空軸を一体化して、中空軸とモータロータとの間に電気粘性流体を介在させてもよく、この場合、中空軸が一体化されたボールねじナットがボールねじ回転部材となる。

この発明によるボールねじ装置は、アクチュエータ（モータによってボールねじナットが回転させられ、これにより、ねじ軸が直線移動する形態、または、モータによってねじ軸が回転させられ、これにより、ボールねじナットが直線移動する形態）として使用されることがあり、緩衝器（ねじ軸が外部からの力によって直線移動させられ、これにより、ボールねじナットが回転し、モータが発生する電磁力が減衰力となる形態、または、ボールねじナットが外部からの力によって直線移動させられ、これにより、ねじ軸が回転し、モータが発生する電磁力が減衰力となる形態）として使用されることがある。

いずれの場合でも、ボールねじ直進部材は、往復直線移動し、通常、その所定方向（この明細書では「前進方向」と称す。この「前進方向」は、ストッパに衝突する移動方向を意味し、具体的には、上下、前後、左右およびその他の方向のいずれであってもよい。）の所定量以上の移動を防止するためのストッパが設けられる。ストッパは、例えば、ボールねじ直進部材が所定量以上移動した際にハウジングに当接するフランジ部をボールねじ直進部材に設けることで形成することができ、また、ストッパは、ボールねじ直進部材と一体に直線移動する部材に形成してもよく、直線移動しない方の部材（ハウジングや中空軸）に設けることもできる。ストッパによってボールねじ直進部材の前進方向の極限位置が規定されていることで、極限位置に達すると、ボールねじ直進部材が強制的に停止させられる。この際のボールねじ直進部材の移動速度が速い場合、ボールねじ直進部材の急停止時におけるボールねじ回転部材の回転慣性力が大きいため、ボールねじ軌道に圧痕が生じることがある。

特に、従来のものでは、ボールねじ回転部材とモータロータとがリジッド結合とされているので、ボールねじ直進部材の移動が強制的に停止させられた場合には、モータロータの慣性力もボールねじ回転部材に作用し、圧痕が発生する可能性が高いものとなっている。

この発明のボールねじ装置によると、ボールねじ回転部材とモータロータとが粘度を制御可能な電気粘性流体を介して結合されているので、ストッパがハウジングに衝突したときには、電気粘性流体の粘度を低下させてモータロータが空転しやすいようにすることにより、ボールねじ回転部材に生じる回転慣性力が減少し、ボールねじ直進部材に作用する衝撃荷重が小さくなる。この結果、ボールねじ軌道に圧痕が生じることが防止される。

上記ボールねじ装置には、ボールねじ直進部材としてのねじ軸の直線移動を案内するスプラインがねじ軸に一体に設けられていることがある。この場合のスプラインは、ボールスプラインであってもよく、例えばインボリュートスプラインのような嵌合式のスプラインであってもよい。

この発明のボールねじ装置によると、ストッパがハウジングに衝突したときには、電気粘性流体の粘度を低下させてモータロータが空転しやすいようにすることにより、ボールねじ軌道に圧痕が発生することを防止できるので、ボールねじ直進部材に作用する荷重を小さくすることができ、ボールねじ軌道に圧痕が発生することを防止できる。これにより、強度確保のために全体を大きくした場合の慣性モーメント増加という問題が解消し、ボールねじ装置を小型化および軽量化することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。以下の説明において、左右は、図の左右をいうものとし、また、左方を前進方向とする。

図１は、この発明によるボールねじ装置の１実施形態を示している。

ボールねじ装置(1)は、ハウジング(2)と、右部(3a)がハウジング(2)内に配されて左右にのびる鋼製ねじ軸(3)と、ねじ軸(3)にボールを介してねじ合わされたボールねじナット(4)と、ハウジング(2)のモータ収容部(6)に配されたモータ(5)と、ねじ軸(3)の右部(3a)にモータ(5)のロータ(11)のトルクを伝達するトルク伝達手段(7)とを備えている。

モータ収容部(6)は、円筒部(6a)およびその左右開口を閉鎖する左右底壁部(6b)(6c)からなる。

このボールねじ装置(1)は、ねじ軸(3)がモータ収容部(6)の左右底壁部(6b)(6c)に軸受(15)を介して回転自在に支持されて、ねじ軸(3)がモータ(5)によって回転させられ、これに伴ってボールねじナット(4)が直線移動する形式のアクチュエータとして使用される。

モータ(5)は、モータ収容部(6)の円筒部(6a)内周に固定された円筒状のステータ(12)と、ステータ(12)の内周面に対向する外周面を有する円筒状のモータロータ(11)とからなる。モータロータ(11)は、ねじ軸(3)に直接結合されるのではなく、モータロータ(11)とねじ軸(3)との間に設けられたトルク伝達手段(7)を介してねじ軸(3)に結合されている。

ボールねじナット(4)には、これと一体で左右方向に直線移動する中空軸(13)が固定されている。中空軸(13)には、右方向への直線移動時の極限位置を規定するストッパ(14)が設けられている。

トルク伝達手段(7)は、ボールねじ回転部材としてのねじ軸(3)の外周に絶縁材(26)を介して固定された金属製の内筒(21)と、モータロータ(11)の内周に絶縁材(27)を介して固定された金属製の外筒(22)と、内筒(21)と外筒(22)との間に形成された空間に封入された電気粘性流体(23)と、内筒(21)と外筒(22)との間に所要の電圧を制御しながら印加する電圧印加手段(24)と、ストッパ(14)がハウジング(2)のモータ収容部(6)左面に衝突したときの衝撃荷重を検出してこれを電圧印加手段(24)に出力するセンサとしてのロードセル(25)とを有している。

内筒(21)および外筒(22)には、例えばブラシなどの手段を用いて電圧を印加できる部分（図示略）が設けられている。また、内筒(21)の左右端部と外筒(22)の左右端部との間には、絶縁軸受（またはシール）(28)が設けられている。

電気粘性流体（ＥＲＦ）(23)は、印加される電圧に応じて粘性が変化する特性を有しており、電圧を上げれば粘度が増大する。通常の条件下では、内筒(21)と外筒(22)との間に所定の大きさの電圧が常に印加された状態とされ、この結果、内筒(21)と外筒(22)とが実質的に一体となるので、ねじ軸(3)とモータロータ(11)とが一体で回転する。

ストッパ(14)がモータ収容部(6)の左の底壁部(6b)に衝突すると、その衝撃荷重がロードセル(25)で検出される。電圧印加手段(24)は、ロードセル(25)からの入力値がある閾値を超える場合、電気粘性流体(23)に印加する電圧を低下させるように制御を行う。この結果、電気粘性流体(23)の粘度が低下して、ねじ軸(3)の右部(3a)に対してモータロータ(11)が滑るようになり、モータロータ(11)とねじ軸(3)とが縁切りされ、トルクが遮断される。

ねじ軸とモータロータとがリジッド結合（従来）の場合、ストッパ(14)がモータ収容部(6)の左の底壁部(6b)に衝突することでボールねじナット(4)の直進運動が急停止させられると、この時点では、ねじ軸(3)およびモータロータ(11)は、回転慣性力を有しているので、回転を続けようとし、ねじ軸(3)およびモータロータ(11)の回転慣性力がボールねじナット(4)に作用して、ねじ軸(3)とボールねじナット(4)との間に大きな力が作用する。

これに対し、この発明によるボールねじ装置(1)では、衝撃荷重が作用した時点で、電気粘性流体の粘性が低下させられ、この結果、ねじ軸(3)とモータロータ(11)との結合が切り離され、モータロータ(11)は空転する。したがって、ねじ軸(3)とボールねじナット(4)との間に作用する力は、ねじ軸(3)の回転慣性力によるものだけとなり、この結果、ボールねじ軌道に圧痕が生じることが防止される。

このボールねじ装置(1)は、アクチュエータのほか、例えば、自動車の電磁緩衝器用として使用するのに適している。電磁緩衝器は、タイヤから伝わる軸方向運動をボールねじ機構により回転運動に変換し、この回転運動をモータ(5)に取り込んで、モータ(5)で発生する電磁力を減衰力として利用する緩衝器であり、突起乗り越し等のサスペンションオーバストローク時には、直線移動部分に設けられたバンプストッパがハウジング(2)（例えばモータフランジ等）に衝突することにより、高速回転していたモータ(5)が急停止し、モータ(5)の慣性トルクにより過大軸力がボールねじ部分(3)(4)に負荷されることがあり、この場合のボールねじ機構の保護が課題となっている。上記のボールねじ装置(1)によると、ストッパ(14)がハウジング(2)（モータ収容部(6)）に衝突した時点で、ねじ軸(3)とモータロータ(11)との結合が切り離されるので、ねじ軸(3)に作用する衝撃荷重がねじ軸の回転慣性力によるものだけとなり、ボールねじ機構が保護され、圧痕の発生などの問題が生じることが防止される。

なお、アクチュエータおよび緩衝器いずれについても、上記のねじ軸(3)回転に代えて、ナット回転とされることがあるが、この場合でも、上記構成を適用することができる。

図１は、この発明のボールねじ装置の１実施形態を示す縦断面図である。

符号の説明

(1) ボールねじ装置
(2) ハウジング
(3) ねじ軸（ボールねじ回転部材）
(4) ボールねじナット（ボールねじ直進部材）
(5) モータ
(7) トルク伝達手段
(11) モータロータ
(14) ストッパ
(21) 内筒
(22) 外筒
(23) 電気粘性流体
(24) 電圧印加手段
(25) センサ

Claims (1)

1. ねじ軸およびこれにボールを介してねじ合わされたボールねじナットと、ねじ軸を保持するハウジングと、ハウジングのモータ収容部内に配されてねじ軸またはボールねじナットを回転させるモータと、ねじ軸とボールねじナットとが所定量以上相対直進移動した際にハウジングに衝突するストッパとを備えており、ねじ軸およびボールねじナットのいずれか一方がボールねじ回転部材、同他方がボールねじ直進部材とされて、ボールねじ回転部材がモータのロータに結合されるボールねじ装置において、
   ボールねじ回転部材の外周に固定された内筒と、筒状とされているモータロータの内周に固定された外筒と、内筒と外筒との間に封入された電気粘性流体と、内筒と外筒との間に制御電圧を印加する電圧印加手段と、ストッパがハウジングに衝突したときの衝撃荷重を検出してこれを電圧印加手段に出力するセンサとをさらに備えていることを特徴とするボールねじ装置。

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