JP2016535222A - カム歯車及びカム歯車を備えたリニア駆動装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の構成部分の回転運動を第２の構成部分の直線運動へと変換するリニア駆動装置で使用するカム歯車（６）であって、カム歯車の端面にカム溝（８）が設けられており、カム歯車は扇形歯車として構成されており、歯車の周方向におけるカム溝の２つの端部部分のうち少なくとも一方が開放されている、カム歯車に関する。本発明はさらに、カム歯車を有したリニア駆動装置に関する。

Description

本発明は、回転運動を直線運動に変換するリニア駆動装置に関し、特にリニア駆動装置で使用するためのカム歯車（即ち、カム溝を備えた歯車）に関する。

自動車産業のような産業では、例えば、エンジン排ガス再循環システムの制御バルブ（以後、ＥＧＲ制御バルブと言う）で使用するために、精密に制御可能なバルブ装置が一般に求められている。このようなバルブ装置の多くは駆動源としてモータを使用しているので、モータの回転出力をバルブステムの直線運動に変換するリニア駆動装置の必要性がある。

２段又は多段の伝動装置を１段の伝動装置に置き換えて、装置全体のサイズ及び製造コストを減じるために、このリニア駆動装置はカム歯車を使用できることが知られている。このカム歯車の端面にはカム溝が形成されている。モータの回転運動はカム歯車の歯に伝達されカム歯車を回転させる。カム歯車の回転中、バルブステムに固定されて接続された従動体がバルブステムの軸方向でカム溝内で前後に直線的に移動して、バルブステムを上下運動させる。

従来のカム歯車では、カム溝は両端で閉じられているので、従動体を歯車平面に対して垂直方向でカム溝内に組み付けることしかできず、従って容易に組み立てを実行することはできない。さらに、カム溝の既存のカム曲線は、剛体衝突を効果的に減じるものではない。さらに、回転システムの軸と協働するようにカム歯車に設けられた軸穴は円形の穴であり、従って軸穴と軸との間の協働が失われ易い。さらに、軽量化のためにプラスチック製の歯車が使用される場合、歯車の歯の強度が不十分で歯が損傷しやすい。

本発明は、従来技術における上記問題のうちの１つ又は複数を解決することを意図している。

本発明の第１の実施形態は、第１の構成部分の回転運動を第２の構成部分の直線運動へと変換するリニア駆動装置で使用するカム歯車であって、カム歯車の端面にカム溝が設けられており、カム歯車は扇形歯車として構成されており、歯車の周方向におけるカム溝の２つの端部部分のうち少なくとも一方が開放されている、カム歯車に関する。

好適な実施形態によれば、カム溝のカム曲線は五次多項式曲線であって、出発点及び終端点では曲線は比較的平坦である。

好適な実施形態によれば、カム溝は、歯車の周方向で１８０°〜３２０°の範囲内の角度にわたって延在している。

好適な実施形態によれば、カム溝は、導入セグメントと、移動セグメントと、噛み合いセグメントとを有しており、導入セグメントは第２の構成部分に固定されて接続される従動体を導入するのに使用され、移動セグメントは、従動体の直線運動行程を行わせるのに使用され、噛み合いセグメントは、従動体が行程の終端点に達したときにカム歯車が第１の構成部分から係合解除されるのを阻止するのに使用される。好適には、導入セグメントの開口部に、外側に向かって広がるホーン形の開口が設けられている。

導入セグメントの曲線プロフィールの少なくとも一部は、規定された高さだけ上昇していて良い。さらに好適には、移動セグメントは、歯車の周方向で１５０°〜３００°の範囲内の角度にわたって延在している。

好適な実施形態によれば、カム歯車の中央に、非円形横断面を有する軸穴が設けられている。好適には、軸穴の横断面はＤ字型である。

好適な実施形態によれば、歯車の周方向でカム歯車の扇形面が延在している長さは、歯車の周方向でカム溝が延在している長さに等しい。好適には、歯車の周方向におけるカム溝の両端部分は開かれている。

本発明の第２の実施形態は、モータと、モータの出力軸に固定されて接続されたピニオン歯車及びピニオン歯車に噛み合う伝動歯車を備えた減速伝動段と、伝動歯車の回転運動を、出力コネクティングロッドの直線運動へと変換するリニア伝動段と、を有し、出力コネクティングロッドは単に直線的に動かされるようにスリーブ部材内に収容されている、リニア駆動装置であって、伝動歯車は、上述した本発明の第１の実施形態によるカム歯車である、リニア駆動装置に関する。

本発明によれば、カム歯車は扇形歯車として構成されていて、歯車の周方向においてカム溝の２つの端部部分のうち少なくとも一方が開放されている。これにより、強度を損なうことなく軽量化が実現され、従動体をカム溝内に容易に組み込むことが可能になる。

さらに、カム溝のカム曲線は五次多項式曲線として設計されており、出発点及び終端点では曲線は比較的平坦であることにより、剛体衝突を効果的に減じることができる。さらに、非円形横断面を有するように設計されたカム歯車の軸穴によって、軸穴と嵌合軸との間でトルクを効果的に伝達することができる。

本発明によるリニア駆動装置の好適な実施形態を示した斜視図である。 本発明によるリニア駆動装置の好適な実施形態を、外部のハウジングなしで示した別の斜視図である。 本発明によるリニア駆動装置の好適な実施形態を示した断面図である。 本発明による伝動歯車と、伝動歯車に設けられた溝に収容された従動体とを示した正面図である。 出力コネクティングロッドと従動体とを有した出力アッセンブリを示した断面図である。 伝動歯車の正面図である。 カム曲線の概略的なグラフを示した図である。 軸と共に渦巻ばねを示した斜視図である。 軸と共に渦巻ばねを示した正面図である。

本発明の実施形態によるリニア駆動装置と、リニア駆動装置で使用するためのカム歯車とを、以下に図面を参照して説明する。当業者が本発明をより完全に理解できるように、以下の説明において、多くの特定の詳細が記述される。しかしながら、これらの特定の詳細のうちいくつかがなくても本発明が達成されることは当業者には明らかであろう。さらに、本発明は明細書に記載された特定の実施形態に限定されないことを理解されたい。むしろ、以下の特徴及び要素のいかなる組み合わせも、異なる実施形態に含まれているものであるなしに関わらず、本発明を実現するために利用できることが本明細書において想定されている。従って、以下の態様、特徴、実施形態及び利点は単なる例示であり、特許請求の範囲に明確に規定されていない限り、特許請求の範囲の要素又は限定とみなすべきではない。

一例として、エンジンの排ガス再循環で使用するＥＧＲ制御バルブのリニア駆動装置に関して本発明によるリニア駆動装置を以下に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明によるリニア駆動装置は、様々なバルブ及びアクチュエータのように、小型の精密リニア制御が必要なあらゆる機器で使用することができる。

本発明によるリニア駆動装置の好適な実施の形態が、図１〜図３に示されている。実施形態では、リニア駆動装置１は、モータ２と、第１の伝動段（減速伝動段）と第２の伝動段（リニア伝動段）とを有している。リニア駆動装置は、モータ２の駆動によって、出力コネクティングロッド７を直線運動させる。埃やその他の異物が駆動装置に侵入し、これを損傷するのを阻止するために、ハウジング１１と対応するシールシステムとが設けられている。

第１の伝動段、即ち、減速伝動段は、モータの出力軸に固定されて接続されたピニオン歯車５と、ピニオン歯車５に噛み合う伝動歯車６とを有している。モータ２が作動されると、ピニオン歯車５は回転駆動されるので、ピニオン歯車５に噛み合っている伝動歯車６は回転させられる。

第２の伝動段は、伝動歯車６の回転運動を出力コネクティングロッド７の直線運動へと変換するためのリニア伝動段である。第２の伝動段は、伝動歯車６に形成された螺旋溝８と、この螺旋溝８に受容された従動体９と、この従動体９に固定されて接続された出力コネクティングロッド７とを有している。

従動体９はローラ又は転がり軸受又は滑り軸受を有していてよい。好適には従動体９は、図４に示されているようにボールベアリングを有している。ボールベアリングを使用することにより、摩擦損失が減じられ効率が上がる。図５に示した実施形態では、従動体９はボールベアリングとピン軸とを有している。ボールベアリングは伝動歯車６の溝８内に支持されていて、溝に沿って転動することができ、ピン軸の一方の端部はボールベアリングの内輪に接続されていて、他方の端部は接続部材１７において支持されている。

図５には、従動体９と出力コネクティングロッド７とを有した出力アッセンブリが示されており、出力コネクティングロッド７は、接続部材１７を介してボールベアリングの内輪に接続されている。出力コネクティングロッド７はスリーブ部材１０内に設けられており、従って直線的な上下運動のみを行うことができる（図３参照）。伝動歯車６が回転すると従動体９が溝８に沿って移動されて、溝８の螺旋形状により従動体９が上下運動をするので、出力コネクティングロッド７は上下運動するように駆動される。

本発明の実施形態による伝動歯車６を、図６及び図７を参照して詳しく説明する。伝動歯車６はカムと歯車を組み合わせており、従ってカム歯車とも呼ばれる。

伝動歯車６は扇形歯車として構成されている。使用されない部分は削除されているので、材料は節約され、軽量化が実現されている。軽量化のためにプラスチック製歯車を使用する場合と比較して、本発明による伝動歯車６の強度は向上されているので、歯を破損する危険は減じられている。

好適には、伝動歯車６の周方向で、伝動歯車の扇形面が延在している長さ（即ち、角度範囲）は、螺旋溝８が延在している長さに適合している。この場合、歯車の周方向で溝８の両端部分が開かれている。この構造により、従動体９は、開かれた端部部分から容易に溝８内に滑り込むことができる。溝の２つの端部が閉じられているため歯車の平面に対して垂直方向で従動体をカム溝内に組み込まなければならない構造と比較して、組み立ては単純で容易である。

図示されていない別の実施形態では、歯車の周方向で溝８が延在している長さは、歯車の周方向で伝動歯車６の扇形面が延在している長さよりも小さくてよく、歯車の周方向で溝８の２つの端部分のうち一方だけが開かれていて、他方は閉じられていてよい。この場合同様に、従動体９は開かれた端部部分から容易に溝８内に滑り込まされてよい。

伝動歯車６の端面に形成された螺旋溝８は、カム溝として使用される。螺旋溝８は例えばインボリュート形である。螺旋溝８の中心点は伝動歯車６の中心点と一致している。リニア伝動段の一行程中に螺旋溝８が回転する弧の長さは極めて大きくてよいので、溝８とリニア伝動段との間の圧力角は減じられている。所要の伝動力が、直線運動方向での所定の成分を有している場合、圧力角の減少は結果として圧力角の余弦値を増大させるので、溝８とリニア伝動段との間の伝動力が減少する。螺旋溝８は、伝動歯車６の周方向で、９０°〜３２０°の範囲の角度にわたって、より好適には１８０°〜３００°の範囲の角度にわたって延在している。

図６には、伝動歯車６及びこの伝動歯車６の端面に形成されたカム溝の例が詳しく示されている。この例では、歯車のモジュールｍは０．６であり、伝動歯車６とモータ歯車との伝動比は１１である。しかしながらこれらのパラメータは単なる例であり、本発明はこれに限定されるものではない。

図６に示したように、溝８は導入セグメントと、移動セグメントと、噛み合いセグメントとを有している。図示した例では、カム溝の導入セグメントと、移動セグメントと、噛み合いセグメントとは、それぞれ歯車の周方向で、２８．３°、１６０°、６２．４°の角度にわたって延在している。しかしながらこれらの値は単なる例であり、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、歯車カムの周方向で移動セグメントが延在する角度は、１５０°〜３００°の範囲内に設定することができる。導入セグメントと噛み合いセグメントの角度範囲も相応に調節することができる。

導入セグメントは従動体９を導入するために使用される。従動体９の導入を容易にするために、導入セグメントの開口部には、外側に向かって広がっているホーン形開口が設けられている。移動セグメントの出発位置は位置Ｍ１であって終端位置は位置Ｍ２であり、従動体９の直線運動行程はこの移動セグメントにおいて生じる。噛み合いセグメントは、従動体９が最大行程に達した際に、伝動歯車６の歯がピニオン歯車５との噛み合いから外れてしまうのを阻止するために使用される。

図６に示した例では、従動体９が溝８から滑脱するのを阻止するために、点Ｍ１から１７．５°の角度分だけ距離を置いた導入セグメント内の位置で、曲線プロフィールが０．３ｍｍより大きい高さ分だけ上昇している（即ち、曲線により生じる直線運動行程は０．３ｍｍだけ上昇する）。位置と高さの値も単なる例である。

図７には、図６に示したカム溝の移動セグメントに対応するカム曲線が示されている。この場合、横軸は伝動歯車６が回転する角度を表し、縦軸は伝動歯車６の回転中に従動体９が移動する（即ち、上昇する）距離を表している。上述したように、カム溝の移動セグメントは１６０°の歯車角度にわたっている。この範囲内で従動体９と対応するバルブの行程は６ｍｍである。行程の値も単なる例である。

図７に示されたカム曲線は五次多項式曲線であって、出発点及び終端点では曲線は比較的平坦である。従って、出発位置及び終端位置では衝撃力を減じることができるので、カム溝における従動体９の剛体衝突を回避することができる。

１つの実施形態では、伝動歯車６と、リニア駆動装置を取り囲むハウジング１１との間に、形状接続構造が設けられている。図示した実施形態では、伝動歯車６にピン１２が固定されていて（図４参照）、このピンは、ハウジング１１に設けられた機構に噛み合ったときに、伝動歯車６の溝８から従動体９が滑脱するのを阻止する機械的なストッパとして使用することができる。例えば、伝動歯車６が位置Ｍ２へと動かされると、ピン１２がハウジング１１に設けられた制限ボスに接触し、伝動歯車６を停止させ、これにより従動体９が溝８から離脱するのを阻止している。

伝動歯車６の中心にはさらに、非円形横断面を有する軸穴が設けられており、例えば図４と図６にはＤ字型の横断面の軸穴が示されている。軸穴の横断面は、四角形のような別の形状であってもよい。軸穴は、以下に説明するように復元システムの軸を収容するために使用される。

モータ２が誤作動した場合、又は電源が遮断された場合であっても出力コネクティングロッド７を初期位置に戻すことができるように、リニア伝動装置は、好適には、図８及び図９に示したように電力なしで復元するための復元システムをさらに有している。モータが通電されているときには、２つの異なる方向へのモータの駆動により駆動と復元を達成できることがよく知られている。しかしながら（例えば故障やその他の理由により）モータが通電されない場合、伝動装置は初期位置に復元できるのが望ましく、従ってそのような復元システムが必要である。

復元システムは、伝動歯車６を支持する軸１３とばねとを有している。ばねは（ねじりコイルばね又はトーションバースプリングのような）トーションばねであってよい。さらにばねは、図示のように軸１３に固定された渦巻ばね１４であってもよい。軸１３は、軸受を介して、軸の２つの端部部分でハウジング１１に取り付けられている。軸１３と伝動歯車６とは相対回転不能に接続されている。渦巻ばね１４の一方の端部は装置のハウジング１１に固定されていて、他方の端部は軸１３に直接又は間接的に固定されている。組み立て完了後、伝動装置の初期位置では、渦巻ばね１４は予荷重状態にあり、軸１３にトルクを加えるので、リニア伝動段は上方に動こうとする。初期位置ではばねが既に予荷重状態にあるので、バルブが最大に開かれると、ばねの予荷重力はより高くなる。渦巻ばね１４を使用することにより、復元力は増大し、固定は容易であり、スペースは節約される。

軸１３への渦巻ばね１４の固定はばねブッシング１５を使用して行われてよい。ばねブッシング１５は軸１３に固定されていて、この場合、ばねブッシング１５は軸１３を取り囲んでいて、ばねブッシング１５には溝１６が設けられており、渦巻ばね１４の端部部分が溝１６に収容される。この方式で、ばねの固定はより簡便になり、力はより良好に軸１３に伝えられる。

軸１３はばねブッシング１５と一体に形成されてもよく、これによりばねは軸１３に直接接続される。勿論、渦巻ばね１４の端部部分を収容する溝１６が、接続機能を実現するように軸１３に直接設けられていることも考えられる。

勿論、ばねを固定する他の方法も考えられ、例えばばねの一方の端部をハウジングに、他方の端部を伝動歯車に固定することによって、ばねを固定することも考えられる。さらに渦巻ばねについて、回転は内輪又は外輪に沿ったものであってよい。

軸１３は少なくとも部分的に、伝動歯車６の軸穴に対応する非円形横断面を有していて、例えば図８及び図９に示したようにＤ字形横断面を有していてもよいし、又は四角形等のような別の形状であってもよい。Ｄ字型のような非円形横断面を使用することによって、伝動歯車６と軸１３との間でより良好にトルクが伝達され、従って、軸と歯車との間に緩みが生じることが回避される。従ってトルクを確実に渦巻ばね１４に伝えることができ、これにより電力なしに復元が可能となる。

リニア駆動装置１は、コネクティングロッドの位置検出用のセンサ（図示せず）を有していてよく、このセンサは誘導型センサ、ホールセンサ、磁気抵抗センサ、接触式センサであってよい。これらのセンサは異なる位置に配置することができ、異なるセンサの形式に応じて、異なる形式の動きを検出することができる。伝動歯車６が位置Ｍ１に移動すると、センサが位置を検出し、信号をモータに送信するので、モータは電力供給が遮断され、停止される。

リニア駆動装置１は、バルブ装置、特にエンジン排ガス再循環システムにおけるＥＧＲ制御バルブで使用することができる。エンジン排ガス再循環システムはよく知られている。このような排ガス再循環システムでは、ＥＧＲ制御バルブが、再循環される排ガス量を制御するように排ガス再循環パイプで使用される。

ＥＧＲバルブ又は別のバルブ装置で使用するために、リニア駆動装置の出力コネクティングロッド７はバルブヘッド３に接続されており、出力コネクティングロッド７が動くときバルブヘッド３を動かすように駆動するので、弁座（図示せず）からのバルブヘッドの距離が変化し、これによりバルブの調節が実現される。ＥＧＲ制御バルブのリニア駆動装置１のモータ２が、リニア駆動装置１の出力コネクティングロッド７を用いてバルブヘッド３を上下運動させるように駆動するよう制御されると、バルブは閉鎖又は開放される。バルブの開放運動の間には従動体９が溝の内側の壁に接触していて、バルブの閉鎖運動の間には従動体９が溝８の外側の壁に接触している。ＥＧＲ制御バルブへの電力供給が遮断されると、ばねの予荷重によりばね力が軸１３へと加えられ、軸１３は回転させられる。これにより、伝動歯車６が回転駆動され、伝動歯車６に設けられた溝８は従動体９を駆動し、この結果、コネクティングロッド７はバルブが閉じられるまで上方に向かって動かされる。

さらに、出力コネクティングロッド７の現在位置がセンサで検出され、制御機器へと伝達され、これによりＥＧＲ制御バルブが制御される。

以上、本発明を、比較的好適な実施形態を用いて開示したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の範囲と思想を逸脱することなく当業者により行われる様々な変更及び改良は、本発明の保護範囲に含まれるべきであり、従って本発明の保護範囲は特許請求の範囲によって規定されるべきである。

１ リニア駆動装置
２ モータ
３ バルブヘッド
５ ピニオン歯車
６ 伝動歯車
７ 出力コネクティングロッド
８ 溝
９ 従動体
１０ スリーブ部材
１１ ハウジング
１２ ピン
１３ 軸
１４ 渦巻ばね
１５ ばねブッシング
１６ 溝
１７ 接続部材

Claims (13)

1. 第１の構成部分の回転運動を第２の構成部分の直線運動へと変換するリニア駆動装置で使用するカム歯車であって、該カム歯車の端面にカム溝が設けられている、カム歯車において、
   前記カム歯車は扇形歯車として構成されており、歯車の周方向における前記カム溝の２つの端部部分のうち少なくとも一方が開放されていることを特徴とする、カム歯車。
2. 前記カム溝のカム曲線は五次多項式曲線であって、出発点及び終端点では前記曲線は比較的平坦である、請求項１記載のカム歯車。
3. 前記カム溝は、歯車の周方向で１８０°〜３２０°の範囲内の角度にわたって延在している、請求項１記載のカム歯車。
4. 前記カム溝は、導入セグメントと、移動セグメントと、噛み合いセグメントとを有しており、前記導入セグメントは前記第２の構成部分に固定されて接続される従動体を導入するのに使用され、前記移動セグメントは、前記従動体の直線運動行程を行わせるのに使用され、前記噛み合いセグメントは、前記従動体が行程の終端点に達したときに前記カム歯車が前記第１の構成部分から係合解除されるのを阻止するのに使用される、請求項１記載のカム歯車。
5. 前記導入セグメントの開口部に、外側に向かって広がるホーン形の開口が設けられている、請求項４記載のカム歯車。
6. 前記導入セグメントの曲線プロフィールの少なくとも一部は、規定された高さだけ上昇している、請求項４記載のカム歯車。
7. 前記移動セグメントは、歯車の周方向で１５０°〜３００°の範囲内の角度にわたって延在している、請求項４記載のカム歯車。
8. 前記カム歯車の中央に、非円形横断面を有する軸穴が設けられている、請求項１記載のカム歯車。
9. 前記軸穴の横断面がＤ字型である、請求項８記載のカム歯車。
10. 前記カム歯車に制限ピンがさらに設けられており、前記ピンは、機械的なストッパとして使用されるように、前記リニア駆動装置のハウジングに設けられた構造と協働する、請求項１記載のカム歯車。
11. 歯車の周方向で前記カム歯車の扇形面が延在している長さは、歯車の周方向で前記カム溝が延在している長さに適合されている、請求項１記載のカム歯車。
12. 歯車の周方向における前記カム溝の両端部分が開かれている、請求項１１記載のカム歯車。
13. モータ（２）と、
    該モータの出力軸に固定されて接続されたピニオン歯車（５）及び該ピニオン歯車（５）に噛み合う伝動歯車（６）を備えた減速伝動段と、
    前記伝動歯車（６）の回転運動を、出力コネクティングロッド（７）の直線運動へと変換するリニア伝動段と、を有し、前記出力コネクティングロッドは単に直線的に動かされるようにスリーブ部材（１０）内に収容されている、リニア駆動装置（１）であって、
    前記伝動歯車（６）は、請求項１から１２までのいずれか１項記載のカム歯車であることを特徴とする、リニア駆動装置。

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