JP2021030156A - アクチュエータ及びこれを備えたトライポッド構造体 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の目的は、アクチュエータの軸線に直交する横方向の荷重が過大な場合においても、これにより生ずる折り返し時の加速度のショックを、製造コスト及び製造工数を抑制したまま低減できるアクチュエータ及びこれを備えたトライポッド構造体を提供することである。【解決手段】本発明のアクチュエータ２２０は、パイプ２２１と、送りねじとしてのボールねじ２２２と、ボールねじ２２２と螺合される送りナットとしての変換ナット２２３と、変換ナット２２３と一体に固定され、パイプ２２１の一方の端部である自由端から伸縮可能に駆動されるピストン２２４と、パイプ２２１の自由端の先端に設けられ、ピストン２２４を移動可能に保持する複数のローラフォロア２２６Ａａを備えた転がり軸受け部２２６を備えることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、アクチュエータ及びこれを備えたトライポッド構造体に関する。
従来から、特許文献１に開示されたドライビングシミュレータが知られている。このようなドライビングシミュレータにおける加振システムは、後述する図１に示すように、ヘキサポッド（Ｈｅｘａｐｏｄ：６軸）構造体と、トライポッド（Ｔｒｉｐｏｄ：３軸）構造体とから主に構成されている。
ヘキサポッド構造体は、スチュワートプラットフォームとも呼ばれ、上部にコックピットが設けられる天板を６本のアクチュエータで支持するように構成されている。このようなヘキサポッド構造体では、すべり床平面上に設定されたＸ、Ｙ軸、およびこの平面に垂直なＺ軸とから構成された、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の３方向の並進運動の他に、各軸回りの回転運動を加えた、すなわち、前後方向、左右方向、上下方向、ロール（Ｒｏｌｌ）、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）、ヨー（Ｙａｗ）の動きからなる、６自由度のチルト運動を再現しており、これにより操作者の運転操作に応じて運転状態をシミュレーションするように構成されている。
トライポッド構造体は、上述のヘキサポッド構造体が搭載された移動ベースに、上面視の初期状態で相互に中心角度が１２０°の角度で離間するように、３本のアクチュエータが接続され、移動ベースがすべり床の上をＸ−Ｙ方向に移動できるのと共に、Ｚ軸回りの回転（Ｙａｗ運動）ができるように構成されている。なお、比較的高い周波数での小振幅の動作は、ヘキサポッド構造体により再現され、比較的低い周波数での大振幅の動作は、トライポッド構造体により再現される。
このようなトライポッド構造体では、例えば、特許文献２に開示されたような電動アクチュエータが使用される。このようなアクチュエータでは、後述する図２に示すように、パイプの内部に少なくとも、送りねじとしてのボールねじと、送りナットとしての変換ナットと、変換ナットと一体的に固定されているピストンとを備え、ボールねじの回転運動をピストンの直線運動に変換している。
特許第５８１３７０６号公報 特開２０１５−４０６１４号公報 特開２００１−１２４１７５号公報
このような従来のアクチュエータでは、パイプの先端に設けられ、ピストンを移動可能に保持する支持機構として、特許文献３に示すように滑り軸受けが使用されていた。しかしながら、トライポッド構造体に使用されるアクチュエータでは、軸線に直交する横方向の荷重、つまり、重力に対して水平に設置されるため自重に起因するモーメント、または、他のアクチュエータの駆動により発生する横方向のモーメント等により図２ｃに示すピストン２４の支持部（ここでは、滑り軸受け部２６）と、図２ｂに示す変換ナット２３の支持部で摩擦力が生じる。このような摩擦力により、後述する図７（ａ）に示すように、折り返し時の加速度にショックが発生し、搭乗タイプのドライビングシュミレータの場合には、試験シナリオによっては、運転者に違和感を与えることとなり、評価に影響を与える場合がある。
また、ピストンの支持機構として、滑り軸受けの代わりにボールスプラインを使用して摩擦を低減する構造も知られているが、比較的大荷重がかかるトライポッド構造体では、アクチュエータに、軸線に直交する横方向の荷重が与えられた場合には、先端部のスプラインのボールに荷重が集中し、その部分が損傷する恐れがあった。またこの課題を解決するために、ボールスプラインを大きくする方法も考えられるが、製造が難しく困難となり、コストが高くなるという問題があった。
従って、本発明の目的は、アクチュエータの軸線に直交する横方向の荷重が過大な場合においても、これにより生ずる折り返し時の加速度のショックを、製造コスト及び製造工数を抑制したまま低減できるアクチュエータ及びこれを備えたトライポッド構造体を提供することである。
前記課題を解決するために、本発明のアクチュエータは、パイプと、前記パイプの内部に配置され、送りねじとしてのボールねじと、前記パイプの内部に配置され、前記ボールねじと螺合され、回転運動を直線運動に変換する、送りナットとしての変換ナットと、前記パイプの内部に配置され、前記変換ナットと一体に固定され、前記パイプの一方の端部である自由端から伸縮可能に移動されるピストンと、前記パイプの前記自由端の先端に設けられ、前記ピストンを移動可能に保持する支持機構とを備えるアクチュエータにおいて、前記支持機構が、複数のローラフォロアを備えた転がり軸受け構造であることを特徴とする。
また、前記転がり軸受け構造は、前記複数のローラフォロアと、前記複数のローラフォロアのそれぞれが回転し前記ピストンを移動可能に保持するように、前記複数のローラフォロアを前記ピストンの周囲に配置する保持部とを備えるものとしてもよい。
また、前記転がり軸受け構造において、前記複数のローラフォロアのそれぞれがピストンに対して予圧され、前記ピストンが予圧されて保持されるように構成されるものとしてもよい。
また、前記転がり軸受け構造に、３個以上の前記ローラフォロアが設けられるものとしてもよい。
前記課題を解決するために、本発明のトライポッド構造体は、前記アクチュエータを３個備え、移動ベースに、上面視の初期状態で相互に中心角度が１２０°の角度で離間するように、前記３個のアクチュエータが接続され、前記移動ベースがエアベアリングを介してすべり床の上をＸ−Ｙ方向に移動できるのと共に、Ｚ軸回りの回転（Ｙａｗ運動）ができるように構成されたことを特徴とする。
本発明によれば、ピストン支持部を滑り軸受けから転がり軸受けにすることにより、アクチュエータ全体の摩擦力を半分以下に減らすことが可能となり、アクチュエータの軸線に直交する横方向の荷重が過大な場合においても、これにより生ずる折り返し時の加速度のショックを、製造コスト及び製造工数を抑制したまま半減できるアクチュエータ及びこれを備えたトライポッド構造体を提供することができ、ドライビングシミュレータの使用範囲を広げることが可能となる。
ドライビングシミュレータの加振システムの一例を示す図である。 図２（ａ）は、図１に示すトライポッド構造体に使用される従来のアクチュエータの縦断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すIIｂ部分の拡大図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）に示すIIｃ部分の拡大図である。 図３（ａ）は、本発明のアクチュエータの縦断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すIIIｂ部分の拡大図である。 図４（ａ）は、図３（ｂ）に示す転がり軸受け部を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す転がり軸受け部の正面図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）に示す転がり軸受け部の側面図である。 図５（ａ）は、図４（ａ）に示す転がり軸受け部を説明するための部分断面図であり、図５（ｂ）は、図４（ａ）に示す転がり軸受け部を図５（ａ）とは異なる向きから示す部分断面図である。 図６（ａ）は、転がり軸受け部のローラフォロア部を示す斜視図であり、図６（ｂ）は、ローラフォロア部を示す断面図である。 図７（ａ）は、従来のアクチュエータの加速度特性を示す図であり、図７（ｂ）は、本発明のアクチュエータの加速度特性を示す図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、ドライビングシミュレータの加振システムの一例を示す図である。
図１において、ドライビングシミュレータの加振システム１０は、ヘキサポッド構造体１００と、トライポッド構造体２００とから主に構成されている。
ヘキサポッド構造体１００は、スチュワートプラットフォームとも呼ばれ、上部にコックピットが設けられる天板１１０に、１箇所当たり２本のアクチュエータ１２０が合計３箇所、つまり、６本のアクチュエータ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ、１２０Ｅ、１２０Ｆが接続され、天板１１０が支持されるように構成されている。ここで使用されるアクチュエータ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ、１２０Ｅ、１２０Ｆとして、油圧ジャッキや電気アクチュエータ等が使用可能であるが、ここでは、後述する図２（ａ）乃至図３（ｂ）に示すように電気アクチュエータが使用されるものとする。また、６本のアクチュエータ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ、１２０Ｅ、１２０Ｆの各々は、その長さが制御されるが、角度は自由に回動できるようにユニバーサルジョイントで接続される。
このようなヘキサポッド構造体１００は、後述するすべり床２４０平面上に設定されたＸ、Ｙ軸、およびこの平面に垂直なＺ軸とから構成された、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の３方向の並進運動の他に、各軸回りの回転運動を加えた、すなわち、前後方向、左右方向、上下方向、ロール（Ｒｏｌｌ）、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）、ヨー（Ｙａｗ）の動きからなる、６自由度のチルト運動を再現できるように構成され、これにより操作者の運転操作に応じて運転状態をシミュレーションできるように構成されている。
トライポッド構造体２００は、上述のヘキサポッド構造体１００を上部に搭載した移動ベース２１０に、上面視の初期状態で相互に中心角度が１２０°の角度で離間するように、３本のアクチュエータ２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃが接続されて構成される。トライポッド構造体２００は、３本のアクチュエータ２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃの長さを制御することにより、移動ベース２１０が、空気圧などによるエアベアリング２３０を介して、すべり床２４０の上をＸ−Ｙ方向に移動できるのと共に、Ｚ軸回りの回転（Ｙａｗ運動）ができるように構成される。なお、比較的高い周波数での小振幅の動作は、ヘキサポッド構造体１００により再現され、比較的低い周波数での大振幅の動作は、トライポッド構造体２００により再現される。
図２（ａ）は、図１に示すトライポッド構造体２００に使用される従来のアクチュエータ２０の縦断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すIIｂ部分の拡大図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）に示すIIｃ部分の拡大図である。
図２（ａ）乃至図２（ｃ）において、従来のアクチュエータ２０は、パイプ２１と、ボールねじ２２と、変換ナット２３と、ピストン２４と、サーボモータ２５と、滑り軸受け部２６とを備える。
パイプ２１は、円筒形状に形成され、その内部にボールねじ２２と、変換ナット２３と、ピストン２４とが配置される。ボールねじ２２は、図示を省略するタイミングベルト機構によりサーボモータ２５に接続され、回転駆動される。変換ナット２３は、図２（ｂ）に示すように、ボールねじ２２と螺合され、パイプ２１の内部で回転が制限され、ボールねじ２２の回転に合わせて、パイプ２１の内部の軸線上に摺動される。なお、変換ナット２３は、滑り軸受けにより、パイプ２１の内部に摺動可能に保持される。ボールねじ２２と、変換ナット２３は、それぞれ送りねじと、送りナットを構成している。
ピストン２４は、変換ナット２３に固定され、変換ナット２３の移動に合わせて、パイプ２１の内部で移動される。ピストン２４は、パイプ２１の一方の端部である自由端の内部から伸縮可能に駆動され、アクチュエータ２０の可動部を構成している。つまり、アクチュエータ２０では、サーボモータ２５により回転駆動されたボールねじ２２の回転運動をピストン２４の直線運動に変換している。滑り軸受け部２６は、図２（ｃ）に示すように、パイプ２１の一方の端部である自由端の先端に設けられ、移動するピストン２４を摺動可能に保持し、ピストン２４の支持機構を構成している。
このように構成された従来のアクチュエータ２０では、後述する図７（ａ）に示すように、アクチュエータの加速度特性において、折り返し時にショックが発生し、運転者に違和感を与える場合があるという問題があった。また、この場合には、車両の性能を評価する評価者は、車両運動によるショックなのか、シミュレータのショックなのかが判断できず、車両の性能評価に悪影響を与えることとなっていた。
検討の結果、この問題の原因は、図１に示すようなドライビングシミュレータのトライポッド構造体に使用されるアクチュエータでは、軸線に直交する横方向の荷重、つまり、重力に対して水平に設置されるため自重に起因するモーメント、または、他のアクチュエータの駆動により発生する横方向のモーメント等により摩擦力が過大となることだと判明した。そこで、上述の従来のアクチュエータで問題となっていた加速度の折り返し時のショックを半減させた本発明のアクチュエータを以下に説明する。
図３（ａ）は、本発明のアクチュエータ２２０の縦断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すIIIｂ部分の拡大図である。
図３（ａ）及び図３（ｂ）において、本発明のアクチュエータ２２０は、パイプ２２１と、ボールねじ２２２と、変換ナット２２３と、ピストン２２４と、サーボモータ２２５と、転がり軸受け部２２６と、固定フランジ２２７とを備える。
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す本発明のアクチュエータ２２０は、図２（ａ）乃至図２（ｃ）に示す従来のアクチュエータ２０と比較して、ピストン２２４の支持機構として、滑り軸受け部２６の代わりに、転がり軸受け部２２６とこれを固定する固定フランジ２２７が設けられていることが主に異なり、それ以外の部分は同様の構成である。同様の構成要素には、同様の参照符号を付し、その説明を省略する。
固定フランジ２２７は、ここでは図３（ｂ）に示すように、パイプ２２１の自由端の先端にスタッドボルト等により固定され、転がり軸受け部２２６は、この固定フランジ２２７にボルト等により固定されているが、この形状には限定されない。つまり、固定フランジ２２７を設けずに、転がり軸受け部２２６を直接パイプ２２１の自由端の先端に固定する構成としてもよい。
一般に、転がり軸受けは、摩擦係数が滑り軸受けの０．１〜０．２に対してその１／１０〜１／１００程度となっており、格段に摩擦力が低下することが従来から知られている。また従来の滑り軸受けの代わりにボールスプラインを使用する方法もあるが、ボールスプラインではボールが小さいため、先端部のボールに荷重が集中し、その部分が損傷する恐れがある。これに対して、本発明の転がり軸受け部２２６では、後述するように、ローラフォロアを使用するため、比較的大きなサイズを使用することができ、大きな荷重に対する耐性も有している。
図４（ａ）は、図３（ｂ）に示す転がり軸受け部２２６を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す転がり軸受け部２２６の正面図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）に示す転がり軸受け部２２６の側面図である。
図４（ａ）乃至図４（ｃ）に示すように、転がり軸受け部２２６は、４個のローラフォロア部２２６Ａ、２２６Ｂ、２２６Ｃ、２２６Ｄと、これを保持する保持部２２６ａとから主に構成されている。なお、ここでは４個のローラフォロア部２２６Ａ、２２６Ｂ、２２６Ｃ、２２６Ｄが設けられるものとしたが、ピストン２２４の軸芯を保持するために３個以上であればいくつ設けられるものとしてもよい。なお、ローラフォロア部２２６Ａ、２２６Ｂ、２２６Ｃ、２２６Ｄの形状は全て同じであるため、以下の説明では、ローラフォロア部２２６Ａを例にとり説明する。
図５（ａ）は、図４（ａ）に示す転がり軸受け部２２６を説明するための部分断面図であり、図５（ｂ）は、図４（ａ）に示す転がり軸受け部２２６を図５（ａ）とは異なる向きから示す部分断面図である。図６（ａ）は、転がり軸受け部２２６のローラフォロア部２２６Ａを示す斜視図であり、図６（ｂ）は、ローラフォロア部２２６Ａを示す断面図である。
図５（ａ）乃至図６（ｂ）に示すように、ローラフォロアとは、その内部にニードルと呼ばれる針状のローラが組み込まれている、ドーナツ形状のベアリングであり、ローラフォロア部２２６Ａは、主に、ローラフォロア２２６Ａａと、この中心に配置され回転軸となるシャフト２２６Ａｂと、シャフト２２６Ａｂの両側に配置され、シャフト２２６Ａｂを回転可能に保持する２つのヨーク２２６Ａｃと、シャフト２２６Ａｂの一方の端部に配置され、ローラフォロア２２６Ａａとシャフト２２６Ａｂの内部に潤滑グリスを注入するためのグリスニップル２２６Ａｄとから主に形成される。
また、本実施形態では、図４（ａ）乃至図４（ｃ）に示すように、ローラフォロア部２２６Ａ、２２６Ｂ、２２６Ｃ、２２６Ｄのそれぞれの背後からピストン２２４に向けて、予圧ねじ２２６Ｐを使用して予圧をかける構成としている。予圧ねじ２２６Ｐとして、ここでは全ねじボルトを使用して、ローラフォロア部２２６Ａのヨーク２２６Ａｃに予圧をかける構成としているが、これには限定されず、スプリングを使用する方法や、その他の方法を使用して予圧をかけるものとしてもよい。
また、このように、ローラフォロア部２２６Ａ、２２６Ｂ、２２６Ｃ、２２６Ｄに、予圧ねじ２２６Ｐ等により予圧を掛ける構成とすることにより、ピストン２２４とローラフォロア部２２６Ａ、２２６Ｂ、２２６Ｃ、２２６Ｄとのガタがなくなり、荷重が比較的大きい、トライポッド構造体２００に使用されるアクチュエータ２２０において、横方向の荷重が過大となる場合においても、安定してピストン２２４を保持することができる。
図７（ａ）は、従来のアクチュエータ２０の加速度特性を示す図であり、図７（ｂ）は、本発明のアクチュエータ２２０の加速度特性を示す図である。
図７（ａ）及び図７（ｂ）において、縦軸は加速度を示し、横軸は時間を示している。なお、アクチュエータ２０、２２０の加速度特性とは、アクチュエータ２０、２２０の可動部であるピストン２４、２２４の先端部の加速度特性を意味する。図７（ａ）に示すように、従来のアクチュエータ２０の加速度特性では、加速度の折り返し地点付近でノイズが発生しており、ショックが生じていることがわかる。これに対して、図７（ｂ）に示すように本発明のアクチュエータ２２０の先端部の加速度特性では、加速度の折り返し地点付近のノイズが半減しており、問題が改善していることがわかる。
このように、本実施形態のアクチュエータ２２０によれば、滑り軸受け部２６の代わりに、転がり軸受け部２２６を設けることにより、ピストン２２４の支持機構の摩擦係数を大幅に低減することができる。また、転がり軸受け部２２６に、比較的大きなサイズであり、大きな荷重に対する耐性を有するローラフォロア部２２６Ａ等を３個以上の複数個設けることにより、アクチュエータ２２０の軸線に直交する横方向の荷重が比較的大きな場合においても、これに対する耐性を有することができる。さらに、ローラフォロア部２２６Ａ等の背後からピストン２２４に向けて、予圧ねじ２２６Ｐ等により予圧をかける構成とすることにより、横方向の荷重が過大となっても安定してピストン２２４を保持することができる。
なお、これまで、本発明のアクチュエータ２２０及びこれを備えたトライポッド構造体２００が、ドライビングシミュレータの加振システム１０に搭載される実施形態を例にとり説明してきたが、これには限定されない。つまり本発明は、例えば自動車、バイク、電車、航空機、船舶などの運輸機器や、橋梁、ビル、住宅、建築物などの構造物や、これらの部品などの被試験構造物に対して、外力を印加して行う載荷試験や、振動を与えて行う加振試験や、操作者の運転操作に応じた運転状態などのシミュレーション試験などの各種の試験を行うための試験装置に適用するものとしてもよい。
以上説明したように、本発明によれば、アクチュエータの軸線に直交する横方向の荷重が過大な場合においても、これにより生ずる折り返し時の加速度のショックを、製造コスト及び製造工数を抑制したまま低減できるアクチュエータ及びこれを使用したトライポッド構造体を提供することができる。
１０ ドライビングシミュレータの加振システム
１００ ヘキサポッド構造体
１１０ 天板
１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ、１２０Ｅ、１２０Ｆ アクチュエータ
２００ トライポッド構造体
２１０ 移動ベース
２２０、２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ アクチュエータ
２２１ パイプ
２２２ ボールねじ
２２３ 変換ナット
２２４ ピストン
２２５ サーボモータ
２２６ 転がり軸受け部
２２６Ａ、２２６Ｂ、２２６Ｃ、２２６Ｄ ローラフォロア部
２２６Ａａ ローラフォロア
２２６Ａｂ シャフト
２２６Ａｃ ヨーク
２２６Ａｄ グリスニップル
２２６ａ 保持部
２２６Ｐ 予圧ねじ
２２７ 固定フランジ
２３０ エアベアリング
２４０ すべり床

Claims (5)

  1. パイプと、
    前記パイプの内部に配置され、送りねじとしてのボールねじと、
    前記パイプの内部に配置され、前記ボールねじと螺合され、回転運動を直線運動に変換する、送りナットとしての変換ナットと、
    前記パイプの内部に配置され、前記変換ナットと一体に固定され、前記パイプの一方の端部である自由端から伸縮可能に移動されるピストンと、
    前記パイプの前記自由端の先端に設けられ、前記ピストンを移動可能に保持する支持機構と
    を備えるアクチュエータにおいて、
    前記支持機構が、複数のローラフォロアを備えた転がり軸受け構造であることを特徴とするアクチュエータ。
  2. 前記転がり軸受け構造は、前記複数のローラフォロアと、前記複数のローラフォロアのそれぞれが回転し前記ピストンを移動可能に保持するように、前記複数のローラフォロアを前記ピストンの周囲に配置する保持部とを備えることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
  3. 前記転がり軸受け構造において、前記複数のローラフォロアのそれぞれがピストンに対して予圧され、前記ピストンが予圧されて保持されるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
  4. 前記転がり軸受け構造には、３個以上の前記ローラフォロアが設けられることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
  5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載された前記アクチュエータを３個備え、移動ベースに、上面視の初期状態で相互に中心角度が１２０°の角度で離間するように、前記３個のアクチュエータが接続され、前記移動ベースがエアベアリングを介してすべり床の上をＸ−Ｙ方向に移動できるのと共に、Ｚ軸回りの回転（Ｙａｗ運動）ができるように構成されたことを特徴とするトライポッド構造体。
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