JP2011078302A - リニアアクチュエータおよびそのエネルギ吸収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータ１２が行程制限位置においてストッパにより止められたときのモータの慣性によるエネルギを内部で吸収する。
【解決手段】アクチュエータ１２は、ハウジング１９に対し直線運動するスリーブ３０を有し、このスリーブ３０内にボールねじ２８が配置されている。ボールねじ２８はギアボックス２４を介してモータ２２により回転駆動され、ボール２９を介してスリーブ３０が進退する。ボールねじ２８の先端にはストッパ３４が順応性部材４０を介して支持され、該ストッパ３４は、行程制限位置において端部部分３２のストッパと係合する。順応性部材４０は、同心に配置した管状部材４２，４４，４６を順次連結した捩りばねからなり、ボールねじ２８が慣性で回転し続けようとすることによるエネルギを吸収する。
【選択図】図２

Description

この発明は、ボールねじ型のアクチュエータに関し、より詳しくは、航空宇宙用途で用いられる電気機械的アクチュエータに関する。

電気機械的アクチュエータ（ＥＭＡ：electromechanical actuator）の一つの形式として、ボールねじを電気モータによって（場合によってはギアボックスを介して）駆動するようにしたものがある。小型でかつ出力密度の高いものとしてＥＭＡを設計する際には、モータからボールねじに作用する回転慣性が問題となり易い。大型のモータでは、大きな回転慣性が生じる。またギアボックスを用いる場合には、モータからボールねじに作用する慣性は、モータの慣性と減速比の２乗との積に比例する。

モータの慣性は、ギアトレーンやボールねじや支持構造等の寸法を設定する上で重要である。一般的なＥＭＡは、一つあるいは複数のストッパを備え、アクチュエータの行程を、完全に後退した位置やあるいは完全に伸長した位置などにおいて規制している。もし移動中のアクチュエータがその行程の端部でストッパに衝突すると、モータの慣性によってアクチュエータが端部ストッパを通過して駆動し続けようとし、ＥＭＡに大きな損傷を与える虞がある。仮に端部ストッパの強度が十分に高く壊れないものであれば、これよりも弱い部分、一般にはボールねじやギアボックスの損傷を招くことがある。

従来は、このようなＥＭＡの損傷を回避するために、ギアボックスやストッパならびに周囲の支持構造を過剰な設計としてあり、ボールねじがその行程の端部ストッパに衝突してほぼ瞬時に停止しかつモータの慣性が加わることに起因した非常に大きなトルクスパイク（瞬間的なトルクの立ち上がり）を、この過剰な設計によって対処している。ボールねじが止められたときにモータは回転し続けようとするので、内部の軸類やギアおよび支持構造が歪んでしまう。このようなトルクスパイクに対処するために過剰な設計としたＥＭＡは、本来必要なものよりも大きくかつ重いアクチュエータとなってしまう。

本発明のリニアアクチュエータは、中心軸を有する第１構造体を備える。第２構造体は、上記第１構造体の回転に応じて該第１構造体に対し平行移動するように構成されている。第１ストッパおよび第２ストッパが、機能的に、上記第１構造体および上記第２構造体にそれぞれ接続されている。これらの第１ストッパおよび第２ストッパは、行程制限位置において互いに係合するように構成されている。順応性部材が、機能的に、上記第１構造体と上記第２構造体との間に配置されており、上記行程制限位置において上記第１構造体と上記第２構造体との間でエネルギを吸収するように構成されている。

開示された実施例においては、上記第１構造体はボールねじであり、このボールねじは、内周側の孔を有し、かつ外周面にボールねじ溝を有する。またこのボールねじは、第１の面を備えている。上記順応性部材は、上記の内周側の孔内に配置された捩りばねであり、互いに離間した第１の部分と第２の部分とを有している。上記第１の部分は、上記ボールねじに接続されている。この捩りばねは、荷重状態ならびに無荷重状態を備える。上記第２ストッパは、上記第２の部分に接続されており、かつ第２の面を有する。上記第１の面と上記第２の面との間には、間隙を備えている。この間隙は、上記無荷重状態に対応する第１の寸法と上記荷重状態に対応する第２の寸法とを有し、上記第１の寸法は上記第２の寸法よりも大きい。

動作としては、上記第１構造体は、第２構造体を直線的に動かすように回転駆動される。上記第１ストッパおよび上記第２ストッパは、行程制限位置において互いに係合する。上記行程制限位置において上記第１，第２ストッパが係合した状態で、上記順応性部材が撓み、エネルギが吸収される。

本発明に係るリニアアクチュエータの一実施例を示す斜視図。 図１のリニアアクチュエータの要部を示す部分断面図。 行程制限位置において互いに協働する第１，第２ストッパとボールねじの一部とを示した斜視図。 図２の４−４線に沿った断面図。

リニアアクチュエータシステム１０の一実施例を図１に示す。このシステム１０は、第１部材１４と第２部材１６とを相互に接続する電気機械的アクチュエータ１２を含んでいる。アクチュエータ１２は、第１部材１４と第２部材１６とを相対的に動かすように、伸長および収縮する。

アクチュエータ１２は、第１端部１８を構成するハウジング１９を有し、この第１端部１８が第１部材１４に接続されている。第２端部２０は、平行移動するようにハウジング１９によって支持されており、かつ第２部材１６に接続されている。ハウジング１９上には、モータ２２およびギアボックス２４が支持されている。また、図示例ではさらにブレーキ２６がハウジング１９上に支持されており、このブレーキ２６は、アクチュエータ１２の作動中にギアボックス２４と協働するように用いられる。

図２，図３に示すように、アクチュエータ１２はスリーブ３０を有し、第２端部２０を構成する端部部分３２を該スリーブ３０が支持している。このスリーブ３０は、ハウジング１９に対し直線運動するように、ハウジング１９の孔内に収容されている（図１および図４参照）。図２に示すように、スリーブ３０内にはボールねじ２８が配置されており、このボールねじ２８が、ギアボックス２４を介してモータ２２により中心軸Ａを中心に回転駆動される。このボールねじ２８の一端は、スラストベアリング３１によってハウジング１９内で支持されている。

上記ボールねじ２８の外周面には、多数のボール２９を支持するためのボールねじ溝が設けられており、スリーブ３０の内周面に設けられた対応するボールねじ溝との間に、上記のボール２９が収容されている。上記ボールねじ２８は、上記スラストベアリング３１と反対側においてストッパ３４を支持しており、このストッパ３４は上記端部部分３２に隣接している。上記ストッパ３４および上記端部部分３２には、第１ストッパ突起３６および第２ストッパ突起３８がそれぞれ設けられている。これらの第１，第２ストッパ突起３６，３８は、行程制限位置において互いに係合する。なお、図２に示す実施例では、この行程制限位置は、完全に収縮した状態に対応しているが、同様のストッパ機構を、完全に伸長した状態に対応する位置に設けることも可能である。

図２および図４に示すように、順応性部材（compliant member）４０がストッパ３４とボールねじ２８との間に配設され、行程制限位置におけるボールねじ２８とストッパ３４との間のエネルギを吸収してアクチュエータ１２の固着や損傷を防止している。図示例では、順応性部材４０は、第１，第２，第３管状部材４２，４４，４６からなる捩りばねを備えている。これらの管状部材４２，４４，４６は、互いに入れ子状態に重ね合わされており、かつボールねじ２８の内側の孔内に収容されている。順応性部材４０の外側端部（ストッパ３４側の端部）５６において、上記第１管状部材４２は、ピン４８によってストッパ３４に固定されている。ストッパ３４とは反対側となる内側端部５４において、第１管状部材４２および第２管状部材４４の端部同士がピン５０によって互いに固定されている。また上記外側端部５６において、第２管状部材４４および第３管状部材４６の端部同士がピン５２によって互いに固定されている。そして、第３管状部材４６は、上記内側端部５４の近傍においてピン５３によってボールねじ２８に固定されている。なお、上記のピン４８，５０，５２，５３の一部あるいは全てを、スプラインや溶接あるいはボルト等の結合構造に置き換えることもできる。第１，第２，第３管状部材４２，４４，４６の材質や長さあるいは肉厚は、アクチュエータ１２の作動特性や利用可能なスペースに基づいて選択される。図示した３個に限らず、より少ない個数あるいはより多数の管状部材を用いることも可能である。管状部材を入れ子状態に重ね合わせることで、非常に狭いスペース内に捩りばねを構成することができる。

図４は、上記の行程制限位置にある状態を示しており、中心軸Ａを中心としたボールねじ２８の回転Ｒによって、第１ストッパ突起３６および第２ストッパ突起３８の各々の第１面３７および第２面３９が互いに当接している。この状態で、モータ２２およびギアボックス２４の運動エネルギは、ボールねじ２８へ伝達され続ける。この運動エネルギは、ストッパ３４から第１管状部材４２へ伝達され、次いで第２管状部材４４へ伝達され、さらに第３管状部材４６へ伝達されて、その回転エネルギが吸収される。このように順応性部材４０が荷重を受けた後に、第１，第２，第３管状部材４２，４４，４６は、ボールねじ２８、ギアボックス２４および電気モータ２２を逆に動かし、その荷重が解放される。

第１ストッパ突起３６および第２ストッパ突起３８が互いに係合した初期には、順応性部材４０は無荷重状態である。第１ストッパ突起３６および第２ストッパ突起３８が互いに係合しかつ順応性部材４０が無荷重状態であるときに、ストッパ３４およびボールねじ２８の第１の面５８および第２の面５９の間に、第１の寸法の間隙６０が生じる。ボールねじ２８が回転し続け、順応性部材４０に荷重が加わるに伴って、第１，第２，第３管状部材４２，４４，４６の軸方向長さは巻き締められていくので、間隙６０は第２の寸法へと減少していく。またボールねじ２８の回転に伴い、ボールねじのナット側が直線運動し続け、間隙６０を減少させようとする。間隙６０の上記の第１の寸法は、順応性部材４０がアクチュエータ１２内で慣性を吸収して完全に荷重を受けた状態となったときに、第１の面５８と第２の面５９とが互いに接することがないように、選択されている。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明はこれに限定されず、当業者であれば種々の変更が可能である。

１２…アクチュエータ
２２…モータ
２４…ギアボックス
３６…第１ストッパ突起
３８…第２ストッパ突起
４０…順応性部材
４２，４４，４６…管状部材

Claims (17)

1. 中心軸を有する第１構造体と、
   上記第１構造体の回転に応じて該第１構造体に対し平行移動するように構成された第２構造体と、
   機能的に上記第１構造体および上記第２構造体にそれぞれ接続され、かつ行程制限位置において互いに係合するように構成された第１ストッパおよび第２ストッパと、
   機能的に上記第１構造体と上記第２構造体との間に設けられ、上記行程制限位置において上記第１構造体と上記第２構造体との間でエネルギを吸収するように構成された順応性部材と、
   を備えてなるリニアアクチュエータ。
2. 上記第１構造体はボールねじであり、上記第２構造体は、上記第２ストッパを支持するスリーブであることを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
3. 上記スリーブを伸縮可能に収容する孔を有するハウジングをさらに備え、収縮位置においては、上記ボールねじが上記スリーブ内に入れ子状態に配置されることを特徴とする請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
4. 上記ハウジングに支持されたギアボックスおよび電気モータを備え、上記電気モータが上記ギアボックスを介して上記ボールねじを回転駆動するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のリニアアクチュエータ。
5. 上記順応性部材が捩りばねを含むことを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
6. 上記捩りばねが、少なくとも１つの管状部材からなることを特徴とする請求項５に記載のリニアアクチュエータ。
7. 複数の管状部材が上記中心軸を中心として互いに同心状に配置され、これらの管状部材が上記ボールねじと上記第２ストッパとを相互接続していることを特徴とする請求項６に記載のリニアアクチュエータ。
8. 複数の管状部材が互いに入れ子状態に重ね合わされているとともに、上記第１構造体と同心状に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のリニアアクチュエータ。
9. 上記行程制限位置において上記第１構造体と上記第１ストッパとの間に軸方向の間隙が設けられており、この間隙は、順応性部材がエネルギを吸収するに伴ってその寸法が減少するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載のリニアアクチュエータ。
10. 外周面にボールねじ溝を有するとともに、内周側の孔を有し、かつ第１の面を備えたボールねじと、
    上記の内周側の孔内に配置されるとともに、互いに離間した第１の部分と第２の部分とを有し、上記第１の部分が上記ボールねじに接続されているとともに、荷重状態ならびに無荷重状態を備える捩りばねと、
    上記第２の部分に接続されているとともに、第２の面を有するストッパと、
    を備えてなり、上記第１の面と上記第２の面との間に間隙を備えるとともに、この間隙は、上記無荷重状態に対応する第１の寸法と上記荷重状態に対応する第２の寸法とを有し、上記第１の寸法は上記第２の寸法よりも大きい、ことを特徴とするリニアアクチュエータ。
11. 上記捩りばねが、少なくとも１つの管状部材からなることを特徴とする請求項１０に記載のリニアアクチュエータ。
12. 複数の管状部材が中心軸を中心として互いに同心状に配置され、これらの管状部材が、ピンによって、互いにかつ上記ボールねじおよび上記ストッパに接続されていることを特徴とする請求項１１に記載のリニアアクチュエータ。
13. 複数の管状部材が互いに入れ子状態に重ね合わされているとともに、上記ボールねじと同心状に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載のリニアアクチュエータ。
14. リニアアクチュエータにおけるエネルギを吸収する方法であって、
    第２構造体を直線的に動かすように第１構造体を回転させるステップと、
    行程制限位置において、上記第１構造体および上記第２構造体にそれぞれ関連した第１ストッパと第２ストッパとを係合させるステップと、
    上記行程制限位置において上記第１，第２ストッパが係合した状態で、エネルギを吸収するように、少なくとも一方の構造体とこれに対応するストッパとを連結する順応性部材を撓ませるステップと、
    を備えることを特徴とするエネルギ吸収方法。
15. 上記順応性部材は捩りばねであり、上記の順応性部材を撓ませるステップは、この捩りばねを中心軸を中心に捻ることである請求項１４に記載のエネルギ吸収方法。
16. 上記第１構造体は上記中心軸を中心に回転し、この第１構造体と上記捩りばねとが入れ子状態に重ね合わされていることを特徴とする請求項１５に記載のエネルギ吸収方法。
17. 上記の順応性部材を撓ませるステップは上記捩りばねに荷重を加えるものであり、
    さらに、
    この捩りばねの荷重を解放し第１構造体を逆に動かすステップを備えることを特徴とする請求項１５に記載のエネルギ吸収方法。

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