JP2011052760A - 回転−直動変換機構およびアクチュエータ - Google Patents

回転−直動変換機構およびアクチュエータ Download PDF

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Abstract

【課題】小型化と大きな動作量という相反する2つの技術的課題を同時に達成することができる回転−直動変換機構およびアクチュエータを提供する。
【解決手段】回転−直動変換機構3は、遊星歯車機構5と、第1、第2のねじ棒8、32と、送り部材7と、主軸9およびスリーブ33を備えている。遊星歯車機構5は、モータ4によって太陽歯車20を駆動し、遊星歯車24を回転させるとともに公転させる。第1のねじ棒8は、送り部材7に一体に設けられ、主軸9を直動させる。第2のねじ棒32は、遊星歯車軸23に一体に設けられている。送り部材7は、遊星歯車24の公転にともなって回転するとともに第2のねじ棒32に沿って直動する。スリーブ33は、カバー2Bに回転を防止されて摺動自在に支承され、送り部材7と一体に進退する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、回転を直動に変換する回転−直動変換機構およびこれを用いたアクチュエータに関する。
通常、回転運動を直線運動(直動)に変換する一般的な回転−直動変換機構としては、ねじが用いられるが、例えば特許文献1に開示されているようにこれに減速歯車機構として遊星歯車機構を組合わせたものも知られている。遊星歯車機構は、駆動軸(入力軸)、従動軸(出力軸)、固定軸、固定軸が共通となる基本軸を備え、プラネタリー型の場合、太陽歯車(入力軸)と、内歯車(固定軸)と、遊星歯車と、遊星歯車の公転運動を拾いトルク、回転を伝達するキャリア(出力軸)によって構成されている。
前記特許文献1に開示されている遊星差動ねじ型回転−直動変換機構は、内燃機関の吸気バルブのバルブリフト量を調整するアクチュエータに組み込まれ、コントロールシャフトを移動させるようにしたもので、サンシャフトと、ナットと、プラネタリシャフトと、リテーナと、ナットを回転させる駆動モータとを備え、ナットの回転をサンシャフトの直動に変換し、これによりコントロールシャフトを軸方向に移動させる構造を採っている。
特開2007−187228号公報
しかしながら、上記した従来の遊星差動ねじ型回転−直動変換機構は、サンシャフトの動作量でコントロールシャフトのストロークを確保しているため、コントロールシャフトの最大ストロークが長ければサンシャフトの全長も長くなって動作量が大きくなるため、動作方向に大型化するという問題があった。また、サンシャフトの直動を速くする場合は、ナットの回転速度を上げることで対応することが可能であるが、あまり回転速度を上げると、ナットやプラネタリシャフトやサンシャフトのねじ部が摩耗したり欠けが生じ易くなり耐久性が低下するという問題もあった。
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、小型化と大きな動作量という相反する2つの技術的課題を同時に達成することができ、また高速回転する場合であってもギヤやねじの摩耗や欠けを低減することができる回転−直動変換機構およびアクチュエータを提供することにある。
上記目的を達成するために本発明に係る回転−直動変換機構は、ケース内に収納された遊星歯車機構と、第1、第2のねじ棒と、送り部材と、主軸およびスリーブを具備し、前記遊星歯車機構は、モータによって駆動する太陽歯車と、前記ケース内に固定された内歯車と、遊星歯車軸に設けられ前記太陽歯車と前記内歯車に噛合して回転するとともに公転する遊星歯車と、前記遊星歯車軸を回転自在に支承する回転自在なキャリアを有し、前記第1のねじ棒は、前記送り部材に一体に設けられ、前記第2のねじ棒は、前記遊星歯車軸に一体に設けられて前記送り部材を螺合貫通し、前記送り部材は、前記遊星歯車の公転にともなって回転するとともに前記第2のねじ棒に沿って直動し、前記主軸は、前記スリーブに回転を規制されて摺動自在に支承され、前記第1のねじ棒の回転にともなって直動するものである。
本発明に係る回転−直動変換機構は、上記発明において、前記遊星歯車と前記遊星歯車軸を少なくとも2つ備えているものである。
本発明に係る回転−直動変換機構は、上記発明において、前記モータの出力軸と前記太陽歯車との間に過負荷防止用のクラッチを備えているものである。
本発明に係るアクチュエータは、上記発明に係る回転−直動変換機構を備えているものである。
本発明においては、遊星歯車軸に一体に設けた第2のねじ棒によって送り部材を直動させ、送り部材に一体に設けた第1のねじ棒によって主軸を直動させ、これらの直動量の和を回転−直動変換機構の動作量としているので、言い換えれば送り部材と主軸に回転−直動変換機構の動作量を分担させているので、1つの部材を直動させる場合に比べて回転−直動変換機構の軸方向の長さを短縮でき、小型で大きな動作量を得ることができる。また、遊星歯車軸と第1のねじ棒に負荷を分散させているので、高速回転する場合であってもギヤやねじの摩耗や欠けが少なく、耐久性を向上させることができる。
また、本発明においては、遊星歯車と遊星歯車軸を少なくとも2つ備えることにより、さらに負荷を分散させるようにしているので、ギヤやねじの摩耗や欠け等を一層少なく抑えることができる。
また、本発明においては、過負荷防止用のクラッチを備えているので、遊星歯車機構が停止して過負荷状態になったとき、回転伝達を遮断し、遊星歯車機構、送り部材、第1、第2のねじ棒等の破損を未然に防止することができる。
また、本発明においては、本回転−直動変換機構を備えているので、小型でロングストロークが得られ、高速動作も可能となるので、バルブ弁軸を直動させるアクチュエータ等に用いて好適である。
本発明に係るアクチュエータの一実施の形態を示す正面図である。 アクチュエータの断面図である。 回転−直動変換機構の斜視図である。 図1のA−A線断面図である。 図1のB−B線断面図である。 (a)、(b)、(c)は回転−直動変換機構の動作状態を示す断面図である。 本発明に係るアクチュエータの他の実施の形態を示す正面図である。 アクチュエータの断面図である。 図7のA−A線断面図である。 図7のB−B線断面図である。
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1〜図5において、本実施の形態は、バルブを開閉制御するアクチュエータに適用した例を示す。アクチュエータ1は、ケース2内に収納された回転−直動変換機構3を備えている。
ケース2は、それぞれ円筒状に形成されたケース本体2Aおよびカバー2Bとからなり、ケース本体2Aの前端側開口部にケース2Bの後端側開口部が雄ねじ6aと雌ねじ6bの螺合によって一体的に結合されている。
回転−直動変換機構3は、ケース本体2Aに収納されたモータ4と、このモータ4によって駆動する遊星歯車機構5と、カバー2Bに収納された送り部材7、第1のねじ棒8、主軸9、第2のねじ棒32およびスリーブ33等を備えている。
モータ4は、取付板10を介してケース本体2A内に収納され、外部コード11の一端が端子12に接続されている。外部コード11は、ケース本体2Aの背面に形成したコード用孔13よりクランプ部材14を通して外部に導出され、電源に接続されている。取付板10は、モータ4の前面に複数個の止めねじ15によって固定され、ケース本体2Aの前端側開口部の内周面に形成した環状溝16内に回転を阻止された状態で嵌め込み固定されている。
遊星歯車機構5は、プラネタリー型の遊星歯車機構からなり、太陽歯車20と、内歯車21と、キャリア22と、2つの遊星歯車軸23および各遊星歯車軸23に取付けられた2つの遊星歯車24とを備えている。
太陽歯車20は、外周面に平歯ギヤ26が形成された歯車本体20Aと、この歯車本体20Aの一端側に設けられた円筒部20Bと、歯車本体20Aと円筒部20Bを連結する円板部20Cとを一体に有し、歯車本体20Aがモータ4の出力軸25に微小な隙間を保って回転可能に嵌装され、過負荷防止用のクラッチ27を介して出力軸25に結合されている。
クラッチ27は、出力軸25に固定された第1のマグネット27Aと、太陽歯車20の円筒部20Bの内周面に設けられ第1のマグネット27Aの外周を取り囲む第2のマグネット27Bとを備え、通常の動作時において、第1、第2のマグネット27A、27Bの磁力によって太陽歯車20と出力軸25を磁気的に結合することによりトルク、回転を伝達し、太陽歯車20側に前記磁力による結合力を越える過大負荷が加わって太陽歯車20が停止したとき、出力軸25と第1のマグネット27Aが太陽歯車20に対して空転し、回転を遮断するように構成されている。なお、クラッチ27としては、マグネットクラッチに限らず、摩擦クラッチ等の他の型式のクラッチを用いることが可能である。
内歯車21は、ケース本体2Aの環状溝16に取付板10およびベアリング29とともに嵌挿され、ケース本体2Aとカバー2Bの雄ねじ6aと雌ねじ6bを締め付けることにより取付板10とベアリング29によって挟持固定されている。また、内歯車21は、円筒状に形成され、内周面中間部に一体に設けた環状の平歯ギヤ部21Aを有し、この平歯ギヤ部21Aの内側に太陽歯車20の歯車本体20Aと遊星歯車24が挿入されている。さらに、内歯車21の内部空間で平歯ギヤ部21Aより後方側の空間28aにはクラッチ27と太陽歯車20の円筒部20Bが位置づけられ、前方側の空間28bには前記キャリア22がベアリング29を介して回転自在に配設されている。なお、太陽歯車20は、第1のマグネット27Aとキャリア22によって軸方向の移動が規制されている。
キャリア22は、円板状に形成され、前記遊星歯車軸23を回転自在に軸支している。このため、キャリア22の外周寄りには、2つの軸受孔30が周方向に180°離間して形成され、これらの軸受孔30に各遊星歯車軸23が挿通され、ベアリング31によって回転自在に軸支されている。各遊星歯車軸23の後端部は、キャリア22の後方に突出し、その突出端部に遊星歯車24がそれぞれ圧入、ねじ等によって固定されている。
ここで、通常の遊星歯車機構ではキャリアは、遊星歯車の位置を規制するとともにトルクおよび回転を伝達する機能を有するが、本実施の形態においては、遊星歯車軸23に第2のねじ棒32を設けることにより推力および直動の機能を付与し、キャリア22の機能を分離して送り部材7を設けることによりキャリア22に遊星歯車軸23と遊星歯車24の位置を規制する支持体としての機能のみをもたせている。
遊星歯車24は、太陽歯車20の平歯ギヤ26と内歯車21の平歯ギヤ部21Aに噛合している。したがって、モータ4の駆動によって太陽歯車20が出力軸25と一体に回転すると、遊星歯車24は太陽歯車20によって回転すると同時に、太陽歯車20の周りを公転する。これによりキャリア22は回転し、遊星歯車軸23は回転するとともに公転する。
送り部材7は、主軸9とキャリア22との間に回転自在に配設され、前記第2のねじ棒32が螺合貫通するねじ孔39を有し、前記遊星歯車24の公転にともなって回転するとともに前記第2のねじ棒32に沿って直動する。すなわち、遊星歯車24が公転すると、遊星歯車軸32も遊星歯車24と一体に公転し、これにより送り部材7およびキャリア22が回転する。また、送り部材7は、第2のねじ棒32に螺合しているので、第2のねじ棒32の回転にともない進退(直動)する。
第1のねじ棒8は、基端部(後端部)8aが送り部材7の中心孔40に圧入固定され、前端部8bがカバー2Bの前端側開口部43付近にまで延在し、外周面に雄ねじ44が全長にわたって形成されている。
主軸9は、両端が開放する筒状体に形成され、基端部(後端部)側内周面に第1のねじ棒8の雄ねじ44に螺合する雌ねじ45が形成され、送り部材7の前面側にスリーブ33内に挿入された状態で配設されている。また、主軸9は、回転を阻止されてスリーブ33を摺動自在に貫通し、前端がスリーブ33とともにカバー2Bの前端側開口部43から外部に突出し、図示を省略したバルブの弁軸50が連結されている。
第2のねじ棒32は、遊星歯車24の公転(キャリア22の回転)を前記送り部材7に伝達してこれを回転させるとともに進退(直動)させるもので、前記遊星歯車軸23の前端に一体に突設され、前記送り部材7のねじ孔39を螺合貫通している。また、第2のねじ棒32は、十分な長さを有して外周面に送り部材7のねじ孔39に螺合する雄ねじ32aが全長にわたって形成され、スリーブ33に挿入されている。
スリーブ33は、筒体からなり、前端面に主軸9が摺動自在に貫通する挿通孔51を有し、後端側開口部に送り部材7の前端面に一体に突設した筒部52に軸線方向の移動を阻止された状態で回転自在に連結されている。このため、スリーブ33は、後端部外周面に周方向に等間隔おいて突設した複数本(例えば4本)の回転防止用ピン53を有し、これらのピン53の外端部がスリーブ33を貫通してカバー2Bの内周面に軸線方向に形成した長溝55に摺動自在に係入することによりカバー2Bに対して回転を規制され、内端部が同じくスリーブ33を貫通して前記筒部52に形成した環状溝54に摺動自在に係入することにより送り部材7に対して軸線方向の移動を規制されている。
次に、上記構造からなるアクチュエータ1の動作について図6を参照して説明する。図6(a)はストローク零の初期状態(非駆動状態)、(b)は送り部材および主軸が直動している状態、(c)は送り部材および主軸が最大ストローク直動して停止した状態を示す図である。図6(a)に示す初期状態において、送り部材7は後退してキャリア22と接触した初期位置状態に保持されている。この状態において、スリーブ33は、送り部材7と一体に後退してカバー2B内に没入し、前端部がカバー2Bの前端側開口部43から僅かに突出した状態を保持している。また、主軸9も後退して前端部がスリーブ33から僅かに突出し、後端が送り部材7の前面に当接した状態を保持している。
上記のような初期状態において、モータ4を駆動して出力軸25を正方向に回転させると、その回転はクラッチ27を介して太陽歯車20に伝達される。このため、太陽歯車20は出力軸25と一体に回転し、遊星歯車24を回転させる。遊星歯車24が回転すると、これと一体の遊星歯車軸23および第2のねじ棒32も回転し、この第2のねじ棒32の回転により送り部材7を直動(前進)させる。送り部材7が第2のねじ棒32に沿って直動すると、スリーブ33も送り部材7と一体に前進し、カバー2Bの前端側開口部43から外部に徐々に突出する。
また、遊星歯車24は、回転すると同時に太陽歯車20の周りを公転するため、この公転により送り部材7およびキャリア22を回転させる。
送り部材7が回転すると、これと一体の第1のねじ棒8も回転する。このため、主軸9は第1のねじ棒8に沿って直動し、スリーブ33の外部に徐々に突出する。図6(b)はこの状態を示す。
送り部材7は、最大ストローク直動すると、スリーブ33の外周面後端部に設けたストッパ部56がカバー2Bの内壁面57に当接することにより停止する。送り部材7が停止すると、キャリア22、遊星歯車軸23、遊星歯車24および太陽歯車20も停止して遊星歯車機構5が停止状態となる。このため、過負荷状態となり出力軸25および第1のマグネット27Aが太陽歯車20に対して空転し、回転伝達が遮断される。
回転伝達が遮断されて送り部材7が回転しなくなると第1のねじ棒8も回転しなくなるため、主軸9はその位置で停止する。図6(c)はこの状態を示す。なお、送り部材7と主軸9を元の初期位置状態に復帰させるときは、モータ4を上記とは反対方向に駆動すればよい。
このようなアクチュエータ1においては、直動部材を送り部材7および主軸9で構成し、これらを第1のねじ棒8と第2のねじ棒32の二軸によってそれぞれ直動させるようにしているので、回転−直動変換機構3の動作量が、送り部材7の移動量と、主軸9の移動量を加えた値となり、動作量を大きくすることができる。また、第1のねじ棒8と第2のねじ棒32は、回転−直動変換機構3の初期状態において、ケース2内に並列に収納されているので、回転−直動変換機構3の軸方向の長さを短縮でき、小型化することができる。さらに、それぞれ2つからなる遊星歯車軸23および遊星歯車24と、第1、第2のねじ棒8、32とを備え、これらに負荷を分散させているので、高速回転する場合であってもギヤやねじの摩耗、欠け等が少なく、耐久性を向上させることができる。
図7〜図10は本発明に係るアクチュエータの他の実施の形態を示すものである。
本実施の形態は、アクチュエータ1’の回転−直動変換機構3’を、太陽歯車20と、内歯車21と、キャリア22と、3つの遊星歯車軸23および3つの遊星歯車24とからなる遊星歯車機構5’と、送り部材7、第1のねじ棒8、主軸9、第2のねじ棒32、スリーブ33等で構成したものである。すなわち、本実施の形態は、遊星歯車軸23と遊星歯車24と第2のねじ棒32の数をそれぞれ1つ増やした点が上記した実施の形態におけるアクチュエータ1と異なるだけで、その他の構成は全く同一であるため、同一構成部材、部分については同一符号をもって示し、その説明を省略する。
このようなアクチュエータ1’によれば、遊星歯車軸23と遊星歯車24および第2のねじ棒32の数を増加させているので、負荷を一層分散させることができ、上記した実施の形態のアクチュエータ1に比べてギヤやねじの摩耗、欠け等をより一層低減することができる。
1、1’…アクチュエータ、2…ケース、3、3’…回転−直動変換機構、4…モータ、5、5’…遊星歯車機構、7…送り部材、8…第1のねじ棒、9…主軸、20…太陽歯車、21…内歯車、22…キャリア、23…遊星歯車軸、24…遊星歯車、25…出力軸、27…クラッチ、32…第2のねじ棒、33…スリーブ。

Claims (4)

  1. ケース内に収納された遊星歯車機構と、第1、第2のねじ棒と、送り部材と、主軸およびスリーブを具備し、
    前記遊星歯車機構は、モータによって駆動する太陽歯車と、前記ケース内に固定された内歯車と、遊星歯車軸に設けられ前記太陽歯車と前記内歯車に噛合して回転するとともに公転する遊星歯車と、前記遊星歯車軸を回転自在に支承する回転自在なキャリアを有し、
    前記第1のねじ棒は、前記送り部材に一体に設けられ、
    前記第2のねじ棒は、前記遊星歯車軸に一体に設けられて前記送り部材を螺合貫通し、
    前記送り部材は、前記遊星歯車の公転にともなって回転するとともに前記第2のねじ棒に沿って直動し、
    前記主軸は、前記スリーブに回転を規制されて摺動自在に支承され、前記第1のねじ棒の回転にともなって直動する回転−直動変換機構。
  2. 請求項1記載の回転−直動変換機構において、
    前記遊星歯車と前記遊星歯車軸は少なくとも2つである回転−直動変換機構。
  3. 請求項1または2記載の回転−直動変換機構において、
    前記モータの出力軸と前記太陽歯車との間に過負荷防止用のクラッチを備えている回転−直動変換機構。
  4. 請求項1、2、3のうちのいずれか一項記載の回転−直動変換機構を備えたアクチュエータ。
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