JP4582639B2

JP4582639B2 - 電動リニアアクチュエータ

Info

Publication number: JP4582639B2
Application number: JP2005035803A
Authority: JP
Inventors: 守久吉岡; 恵介数野
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2025-02-14
Also published as: US20060196291A1; US8240222B2; JP2006220249A

Description

本発明は、例えば、自動車のブレーキ、エンジン、トランスミッション等の駆動部に使用される電動リニアアクチュエータ、特に電動モータの回転をボールねじ機構を介して直線運動に変換して用いる電動リニアアクチュエータに関するものである。

自動車等の車両の各種駆動部に使用される電動リニアアクチュエータにおいて、電動モータの回転運動を軸方向の直線運動に変換する機構として、台形ねじあるいはラックアンドピニオン等の歯車機構が一般的に使用されている。これらの変換機構は、滑り接触部を伴うため動力損失が大きく、電動モータの大型化や消費電力の増大を余儀なくされている。そのため、より効率的なアクチュエータとしてボールねじ機構が採用されるようになってきた。

従来、この種の電動リニアアクチュエータでは、駆動側の作用線はボールねじの軸心と同一であり、純アキシアル荷重がボールねじに負荷されるが、ボールねじに負荷される荷重が純アキシアル荷重でない場合には、ボールねじにラジアル荷重が直接負荷されないように、リニアガイド等が併用されていた。

しかしながら、一般産業機器の用途では比較的大きな空間スペースがあり、構成部品の配置や大きさに対する自由度が大きいが、自動車のエンジンルーム等ではそれが厳しく制限される。したがって、ボールねじに純アキシアル荷重のみが負荷される構造の電動リニアアクチュエータを組み込むことは困難であった。

こうした問題点を解決したものとして、図５に示すような電動リニアアクチュエータが知られている。この電動リニアアクチュエータ５０は、一対のリンク５１と、このリンク５１を介して被駆動部材を揺動駆動するボールねじ５２と、このボールねじ５２を駆動する電動モータ５３とを主たる構成としている。

ボールねじ５２は、図６に示すように、電動モータ５３により回転駆動され、外周面に螺旋状のねじ溝５４ａが形成されたねじ軸５４と、内周面にこのねじ軸５４のねじ溝５４ａに対応する螺旋状のねじ溝５５ａが形成されたナット５５と、これら両ねじ溝５４ａ、５５ａ間に収容された多数のボール５６とを備えている。また、図５に示すように、ナット５５には、リンク５１の一端部を回転自在に支承する支持軸５７が設けられている。この支持軸５７は、ナット５５の重心を通り、ねじ軸５４の軸心に対して直角に設けられている。

また、ボールねじ５２は、螺旋状のねじ溝５４ａ、５５ａとの間にボール５６の無限循環路を形成する循環部材としてのリターンチューブ５８を備えている。このリターンチューブ５８は、図６に示すようにナット５５に装着されており、支持軸５７を介してナット５５に作用する負荷荷重Ｆのラジアル方向成分Ｆｒが作用する側（図中上側）と反対側（図中下側）に配置されている。

これにより、ラジアル方向成分Ｆｒが作用する反対側（図中下側）に位置するボール数より、ラジアル方向成分Ｆｒが作用する側（図中上側）に位置するボール数が多くなる。したがって、支持軸５７を介してナット５５に作用する負荷荷重Ｆのラジアル方向成分Ｆｒによってボールねじ５２の寿命が低下するのを防止することができる。
特開２００４−８４８２７号公報

こうした従来の電動リニアアクチュエータ５０におけるボールねじ５２は、リターンチューブ５８をナット５５に作用する負荷荷重Ｆのラジアル方向成分Ｆｒが作用する側と反対側に配置し、ラジアル方向成分Ｆｒが作用する側に多くのボール数を配列させてボールねじ５２の寿命向上を図るように構成されているが、循環部材となるリターンチューブ５８がナット５５の外周部に装着されているため、コンパクト性が求められるこの種の電動リニアアクチュエータ５０においては一つの障害となる。さらに、支持軸５７を介してボールねじ５２にモーメント荷重が作用した場合、内部のボール負荷分布が不均一となり、ボール５６の挙動が安定せずスムーズな転動を阻害する恐れがある。

本発明は、こうした従来の課題を解消し、ボールねじにモーメント荷重や交番荷重が負荷されても内部のボール負荷分布が均一になり、ボールの挙動を安定させてボールねじのスムーズな作動を図った電動リニアアクチュエータを提供することを目的とする。

係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、ハウジングに取り付けられた電動モータと、この電動モータのモータ軸に同軸状に連結され、外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、外周の軸方向中央にリンクの一端部と係合する一対の支持部を有し、内周に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、両ねじ溝間に収容された多数のボールと、前記両ねじ溝間にボールの無限循環路が形成されたボールの循環部材とからなり、前記電動モータの回転運動を軸方向運動に変換すると共に、前記支持部を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじと、前記ねじ軸を前記ハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承する一対の支持軸受とを備えた電動リニアアクチュエータにおいて、前記ナットの外周の軸方向中央に前記リンクの一端部と係合する一対の支持部を有し、胴部の両端部に、その内外の周面に貫通して前記ねじ溝の一部を切欠く楕円状の駒窓が、少なくとも前記ねじ溝の２ピッチの間隔をおいて穿設され、これらの駒窓に前記循環部材を構成する駒部材が装着されると共に、前記ナットの駒窓間である軸方向中央に環状の盗み部が形成され、この盗み部の両側にボール循環列が配置されている。

このように、電動モータのモータ軸と同軸状に連結され、外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、外周の軸方向中央にリンクの一端部と係合する一対の支持部を有し、内周にねじ軸のねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、両ねじ溝間に収容された多数のボールと、両ねじ溝間にボールの無限循環路が形成されたボールの循環部材とからなり、電動モータの回転運動を軸方向運動に変換すると共に、支持部を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじを備えた電動リニアアクチュエータにおいて、ナットの外周の軸方向中央にリンクの一端部と係合する一対の支持部を有し、胴部の両端部に、その内外の周面に貫通してねじ溝の一部を切欠く楕円状の駒窓が、少なくともねじ溝の２ピッチの間隔をおいて穿設され、これらの駒窓に循環部材を構成する駒部材が装着されると共に、ナットの駒窓間である軸方向中央に環状の盗み部が形成され、この盗み部の両側にボール循環列が配置されているので、ボール循環列のスパンが大きくなり、支持部を介して負荷されるモーメント荷重に対して、循環部エリアに入るボールの荷重を軽減することができると共に、内部のボール負荷分布が均一になり、ボールの挙動を安定させてボールねじのスムーズな作動を図った電動リニアアクチュエータを提供することができる。また、ねじ溝加工領域が削減でき、工具寿命が延長されると共に、切削抵抗が小さくなるため、加工サイクルタイムが短縮でき、低コスト化を達成することができる。また、ねじ溝加工時の切り粉が工具とねじ溝間に混入し難くなるため、ナットにおけるねじ溝の加工精度を一層向上させることができる。

また、請求項２に記載の発明のように、前記ナットのねじ溝がタップ加工によって形成されていれば、ねじ溝の形状・精度やリード精度を向上させることができる。

好ましくは、請求項３に記載の発明のように、前記盗み部の内径が前記ねじ溝の内径よりも大きく設定されていれば、タップ加工領域が削減でき、タップの工具寿命が延長されると共に、切削抵抗が小さくなるため、加工サイクルタイムが短縮でき、低コスト化を達成することができる。また、タップ加工時の切り粉がタップ工具とねじ溝間に混入し難くなるため、ナットにおけるねじ溝の加工精度を一層向上させることができる。

好ましくは、請求項４に記載の発明のように、前記盗み部が前記駒窓間の全域に形成されていれば、一層タップ加工領域の削減ができると共に、潤滑グリースの充分な貯留部を確保することができ、ボールねじの耐久性を向上させることができる。

本発明に係る電動リニアアクチュエータは、ハウジングに取り付けられた電動モータと、この電動モータのモータ軸に同軸状に連結され、外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、外周の軸方向中央にリンクの一端部と係合する一対の支持部を有し、内周に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、両ねじ溝間に収容された多数のボールと、前記両ねじ溝間にボールの無限循環路が形成されたボールの循環部材とからなり、前記電動モータの回転運動を軸方向運動に変換すると共に、前記支持部を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじと、前記ねじ軸を前記ハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承する一対の支持軸受とを備えた電動リニアアクチュエータにおいて、前記ナットの外周の軸方向中央に前記リンクの一端部と係合する一対の支持部を有し、胴部の両端部に、その内外の周面に貫通して前記ねじ溝の一部を切欠く楕円状の駒窓が、少なくとも前記ねじ溝の２ピッチの間隔をおいて穿設され、これらの駒窓に前記循環部材を構成する駒部材が装着されると共に、前記ナットの駒窓間である軸方向中央に環状の盗み部が形成され、この盗み部の両側にボール循環列が配置されているので、ボール循環列のスパンが大きくなり、支持部を介して負荷されるモーメント荷重に対して、循環部エリアに入るボールの荷重を軽減することができると共に、内部のボール負荷分布が均一になり、ボールの挙動を安定させてボールねじのスムーズな作動を図った電動リニアアクチュエータを提供することができる。また、ねじ溝加工領域が削減でき、工具寿命が延長されると共に、切削抵抗が小さくなるため、加工サイクルタイムが短縮でき、低コスト化を達成することができる。また、ねじ溝加工時の切り粉が工具とねじ溝間に混入し難くなるため、ナットにおけるねじ溝の加工精度を一層向上させることができる。

ハウジングに取り付けられた電動モータと、この電動モータのモータ軸に同軸状に連結され、外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、外周の軸方向中央にリンクの一端部を支持する一対の支持軸を有し、内周に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、両ねじ溝間に収容された多数のボールと、前記両ねじ溝間にボールの無限循環路が形成されたボールの循環部材とからなり、前記電動モータの回転運動を軸方向運動に変換すると共に、前記支持部を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじと、前記ねじ軸を前記ハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承する一対の支持軸受とを備えた電動リニアアクチュエータにおいて、前記ナットにおける胴部の両端部に、その内外の周面に貫通して前記ねじ溝の一部を切欠く楕円状の駒窓が穿設され、この駒窓間に少なくとも前記ねじ溝の２ピッチの幅を有し、内径がねじ溝の内径よりも大きな環状の盗み部が形成されると共に、当該駒窓に前記循環部材を構成する駒部材が装着されている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電動リニアアクチュエータの一実施形態を示す縦断面図、図２は、本発明に係るボールねじを示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は駒部材の斜視図、図３（ａ）はナットの縦断面図、（ｂ）はその展開図である。

この電動リニアアクチュエータ１は、リンク２と、このリンク２を介して図示しない被駆動部材を揺動駆動するボールねじ３と、このボールねじ３を駆動し、ハウジング４に取付けられた電動モータ５とから構成されている。

ボールねじ３は、図２（ａ）に示すように、電動モータ５のモータ軸５ａにカップリング６を介して連結されて回転駆動され、外周面に螺旋状のねじ溝７ａが形成されたねじ軸７と、内周面にこのねじ軸７のねじ溝７ａに対向する螺旋状のねじ溝８ａが形成されたナット８と、これら両ねじ溝７ａ、８ａ間に収容された多数のボール９とを備えている。各ねじ溝７ａ、８ａの断面形状は、サーキュラアーク形状であってもゴシックアーク形状であっても良いが、ここでは、ボール９との接触角が大きくとれ、軸方向すきまが小さく設定できるゴシックアーク形状に形成されている。これにより、アキシアル荷重に対する剛性が高くなり、かつ振動を抑制することができる。

円筒状のナット８の胴部には、内外の周面に貫通してねじ溝８ａの一部を切欠く楕円状の駒窓１０が穿設され、この駒窓１０に楕円状の駒部材１１が装着されている。この駒部材１１は、図２（ｂ）に示すように、内方にねじ溝８ａの隣合う１周分同士を連結する連結溝１２が形成され、この連結溝１２とねじ溝８ａの略１周の部分とでボール９の転動路が構成されている。そして、転動路内の内外のねじ溝７ａ、８ａ間に介在された多数のボール９は、ねじ溝７ａ、８ａに沿って転動し、駒部材１１の連結溝１２に案内されてねじ溝７ａのランド部を乗り越え、隣接するねじ溝７ａに戻り、再びねじ溝７ａ、８ａに沿って転動する。

駒部材１１の連結溝１２は、ナット８の隣接するねじ溝８ａ間を滑らかに接続するようにＳ字状に湾曲して形成されている。したがって、その両端の開口縁１２ａは、ナット８の隣接するねじ溝８ａの窓開口縁部に合致するように、ナット８のねじ溝８ａに接続されている。また、連結溝１２の深さは、ボール９が連結溝１２内でねじ溝７ａのランド部を越えることができる深さとされている。

駒部材１１は、金属粉末を可塑状に調整し、射出成形機で成形される焼結合金からなる。この射出成形に際しては、まず、金属粉と、プラスチックおよびワックスからなるバインダとを混練機で混練し、その混練物をペレット状に造粒する。造粒したペレットは、射出成形機のホッパに供給し、金型内に加熱溶融状態で押し込むことにより成形される。前記金属粉としては、後に浸炭焼入が可能な材質が好ましく、例えば、Ｃ（炭素）が０．３ｗｔ％、Ｎｉ（ニッケル）が１〜２ｗｔ％、残りがＦｅ（鉄）からなるものとする。なお、駒部材１１の材質はこれに限らず、例えば、ＰＡ（ポリアミド）６６等の射出成形可能な熱可塑性樹脂によって形成しても良い。

図１に示すように、ねじ軸７は、一対の転がり軸受からなる支持軸受１３、１３を介してハウジング４に対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承されている。一方、ナット８の外周面には、その軸方向の中央部に対向する一対の支持軸１４が突設されている。この支持軸１４は、リンク２の一端部を回転自在に支承し、ねじ軸７の軸心に対して直角に突設されている。したがって、ナット８は、軸方向移動自在に、かつ回転不可に支持されている。

このような構成により、電動モータ５の回転に伴ってねじ軸７が回転し、このねじ軸７の回転によりナット８が軸方向（図中左右方向）に移動する。すなわち、このボールねじ３により、モータ軸５ａの回転運動がボールねじ３を介してナット８の軸方向運動に変換され、ナット８の支持軸１４を介して連結されたリンク２が揺動運動する。

本実施形態では、ボール９の循環部材となる駒部材１１が、その隣り合う循環列間の距離を大きく取って一対装着されている。具体的には、図３に示すように、ナット８の両端部に駒窓１０が穿設され、２つのボール循環列（図中ハッチングにて示す）１５、１５間に少なくとも２列のねじ溝８ａが形成されている。このように、ボール循環列１５、１５のスパンが大きく設定されていることにより、支持軸１４を介して負荷されるモーメント荷重に対して、循環部エリアに入るボール（図示せず）の荷重が軽減できる。したがって、内部のボール負荷分布が均一になり、ボール９の挙動を安定させてボールねじ３のスムーズな作動を図った電動リニアアクチュエータ１を提供することができる。

なお、ここでは、ナット８の両端部に２つの駒部材１１が装着されたボールねじ３について説明したが、本発明に係るボールねじは、複数の駒部材１１がねじ溝８ａの２ピッチ以上の間隔をおいてナット８に装着されていれば良い。また、ナット８の外周面に支持軸１４が突設されたものを例示したが、これに限らず、図示はしないが、リンクにピンが突設され、このリンクピンに係合するピン孔をナットの外周面に設けても良い。

また、前述した構成のナット８だけでなく、例えば、図４に示すような、ナット１６を例示することができる。なお、前述した実施形態と同一部品同一部位には同じ符号を付して重複した説明を避ける。

ナット１６の両端部には駒窓１０が穿設され、２つのボール循環列１５、１５間に少なくとも２列のねじ溝８ａが形成できるスペースに環状の盗み部１７が形成されている。この盗み部１７の内径は、ねじ溝８ａの内径よりも大径に設定されている。このように、ボール循環列１５、１５のスパンを大きく設定することにより、支持軸１４を介して負荷されるモーメント荷重に対して、循環部エリアに入るボール（図示せず）の荷重を軽減することができる。

この種の電動リニアアクチュエータにおいては、ボールねじにおけるねじ溝の形状・精度およびリード精度に高い加工精度が要求されるが、本実施形態では、ナット１６はパイプ材から切削加工によって形成されている。具体的には、ねじ溝８ａの加工前に予め所定の内径寸法・形状にパイプ材の内周が切削加工され、その後、タップ加工によってねじ溝８ａが形成されている。

ここで、本実施形態のように、ナット１６のボール循環列１５、１５間の全域に環状の盗み部１７が形成されていれば、タップ加工領域が削減でき、タップの工具寿命が延長されると共に、切削抵抗が極めて小さくなるため、加工サイクルタイムが短縮でき、低コスト化を達成することができる。また、タップ加工時の切り粉がタップ工具とねじ溝８ａ間に混入し難くなるため、ナット１６におけるねじ溝８ａの加工精度を向上させることができる。さらに、潤滑グリースの充分な貯留部を確保することができ、ボールねじの耐久性を向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明に係る電動リニアアクチュエータは、電動モータのモータ軸と同軸状に連結され、モータ軸の回転運動を軸方向運動に変換する駒式のボールねじを備え、このボールねじにおけるねじ軸を、一対の支持軸受でハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承した電動リニアアクチュエータに適用できる。

本発明に係る電動リニアアクチュエータの一実施形態を示す縦断面図である。（ａ）は、本発明に係るボールねじを示す縦断面図である。（ｂ）は、同上駒部材を示す斜視図である。（ａ）は、ナットを示す縦断面図である。（ｂ）は、同上、展開図である。（ａ）は、図３のナットの変形例を示す縦断面図である。（ｂ）は、同上、展開図である。従来の電動リニアアクチュエータを示す一部を断面した正面図である。図５のボールねじを示す縦断面図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・・・・・・・・電動リニアアクチュエータ
２・・・・・・・・・・・・・・・・・リンク
３・・・・・・・・・・・・・・・・・ボールねじ
４・・・・・・・・・・・・・・・・・ハウジング
５・・・・・・・・・・・・・・・・・電動モータ
５ａ・・・・・・・・・・・・・・・・モータ軸
６・・・・・・・・・・・・・・・・・カップリング
７・・・・・・・・・・・・・・・・・ねじ軸
７ａ、８ａ・・・・・・・・・・・・・ねじ溝
８、１６・・・・・・・・・・・・・・ナット
９・・・・・・・・・・・・・・・・・ボール
１０・・・・・・・・・・・・・・・・駒窓
１１・・・・・・・・・・・・・・・・駒部材
１２・・・・・・・・・・・・・・・・連結溝
１２ａ・・・・・・・・・・・・・・・開口縁
１３・・・・・・・・・・・・・・・・支持軸受
１４・・・・・・・・・・・・・・・・支持軸
１５・・・・・・・・・・・・・・・・ボール循環列
１７・・・・・・・・・・・・・・・・盗み部
５０・・・・・・・・・・・・・・・・電動リニアアクチュエータ
５１・・・・・・・・・・・・・・・・リンク
５２・・・・・・・・・・・・・・・・ボールねじ
５３・・・・・・・・・・・・・・・・電動モータ
５４・・・・・・・・・・・・・・・・ねじ軸
５４ａ、５５ａ・・・・・・・・・・・ねじ溝
５５・・・・・・・・・・・・・・・・ナット
５６・・・・・・・・・・・・・・・・ボール
５７・・・・・・・・・・・・・・・・支持軸
５８・・・・・・・・・・・・・・・・リターンチューブ
５９、６０・・・・・・・・・・・・・深溝玉軸受
Ｆ・・・・・・・・・・・・・・・・・負荷荷重
Ｆｒ・・・・・・・・・・・・・・・・ラジアル方向成分

Claims

ハウジングに取り付けられた電動モータと、この電動モータのモータ軸に同軸状に連結され、外周に螺旋状のねじ溝が形成されたねじ軸と、このねじ軸に外挿され、外周の軸方向中央にリンクの一端部と係合する一対の支持部を有し、内周に前記ねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝が形成されたナットと、両ねじ溝間に収容された多数のボールと、前記両ねじ溝間にボールの無限循環路が形成されたボールの循環部材とからなり、前記電動モータの回転運動を軸方向運動に変換すると共に、前記支持部を介して連結されたリンクを揺動運動させるボールねじと、前記ねじ軸を前記ハウジングに対して回転自在に、かつ軸方向移動不可に支承する一対の支持軸受とを備えた電動リニアアクチュエータにおいて、
前記ナットの外周の軸方向中央に前記リンクの一端部と係合する一対の支持部を有し、胴部の両端部に、その内外の周面に貫通して前記ねじ溝の一部を切欠く楕円状の駒窓が、少なくとも前記ねじ溝の２ピッチの間隔をおいて穿設され、これらの駒窓に前記循環部材を構成する駒部材が装着されると共に、前記ナットの駒窓間である軸方向中央に環状の盗み部が形成され、この盗み部の両側にボール循環列が配置されていることを特徴とする電動リニアアクチュエータ。
前記ナットのねじ溝がタップ加工によって形成されている請求項１に記載の電動リニアアクチュエータ。
前記盗み部の内径が前記ねじ溝の内径よりも大きく設定されている請求項１に記載の電動リニアアクチュエータ。
前記盗み部が前記駒窓間の全域に形成されている請求項１または３に記載の電動リニアアクチュエータ。