JP4804818B2

JP4804818B2 - 電動リニアアクチュエータ

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Publication number: JP4804818B2
Application number: JP2005195414A
Authority: JP
Inventors: 宏樹大平; 彰安部
Original assignee: Key Safety Systems Japan KK
Current assignee: Key Safety Systems Japan KK
Priority date: 2005-07-04
Filing date: 2005-07-04
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2025-07-04
Also published as: JP2007010117A

Description

本発明は、送りネジ軸と回転軸とを異種材料により形成し、かつこれら軸を一軸状に接合した軸部材に係り、詳しくは送りネジ軸に表面硬度の高いクロムモリブテン鋼を用い、電動モータの回転軸に加工性のよいオーステナイト系ステンレス鋼を用いた軸部材を用いた電動リニアアクチュエータに関する。

一般に、上記電動リニアアクチュエータは、電動モータの回転軸と送りネジ軸とをカップリングにより連結すると共に、送りネジ軸の両端部分をベアリングを介してケースに支持している。

このため、カップリングの存在及びネジ軸の両持ち支持構造等により、コンパクト化、特に軸方向の短縮化が充分にできず、また部品点数の増加によるコストアップに加えて、カップリングを介しての動力伝達のため、電動モータの回転位置決め精度に対する送りネジの直動位置精度の低下を招いている。

本出願人は、図１６に示すように、電気モータの回転軸６をＳＵＳ３０３（オーステナイト系ステンレス鋼）等の非磁性材料により形成し、送りネジ軸７をＳＣＭ４１５等の磁性材料により形成して、これら回転軸６と送りネジ軸７の一端を、溶融金属媒体を介在する接合（ろう付け又はフィラーを用いたレーザー溶接）により一軸状に固着した軸部材及び電動リニアアクチュエータを提案した（特許文献１参照）。

上記回転軸６は、その一端部を膨径部６ｂとして、その中心部に円筒状の穴１１が形成されると共に、該円筒穴１１から膨径部外周面に抜ける小径のエア抜け孔１２を形成している。一方、送りネジ軸７の一端には円筒状突起１０が形成されており、該円筒状突起１０を上記円筒穴１１に嵌合し、該嵌合面Ｂに溶融金属媒体を介在する接合（ｂｒａｓｅ）が施される。該溶融媒体金属（ろう又はフィラー）は、送りネジ軸７の端面角部を面取りした面取り部Ａから接合面Ｂに流れ込み、抜け孔１２から溢れ出ることにより、充分な量の媒体金属が接合面に供給されたことを確認する。

本電動リニアアクチュエータは、送りネジ軸７と回転軸６との間にカップリングが存在せず、コンパクトでかつ位置決め精度の高いものでありながら、回転軸６には非磁性材料が用いられ、モータ性能に悪影響を及ぼすことはなく、かつ送りネジ軸７には、硬度の高い磁性材料を用いることができるので、充分な耐摩耗性を有し、高い精度を長期に亘って維持することができる。

特開２００５−１１４０８１号公報

上記溶融媒体金属を介在した接合は、溶接に比して母材に対する熱の影響は小さいとしても、接合強度が溶融媒体金属に依存するため、所定の強度を保持するために大きな接合面積を必要とする。上記軸部材８にあっては、円筒状の突起１０を穴１１に嵌合して、大きな面積からなる接合面Ｂを形成しているが、このため、高い嵌合い公差による精度の高い機械加工を必要とし、エア抜け孔１２の加工と相俟って、面倒な機械加工を必要とする。更に、溶融媒体金属を接合面Ｂに急速に流し込むには、回転軸６の膨径部６ｂは、その径寸法が送りネジ軸７に比して略々等しくするか、僅かに大きい程度に規制され、かつその内部に上記円筒状の穴１１を有すると共に外周面に抜け孔１２を有するので、所定の軸方向長さを必要とする。回転軸６は、モータのロータに嵌合する小径のロータ装着部６ｃの外に、軸部材をモータケースに対してラジアル方向及びスラスト方向に支持するベアリング保持部及びフランジ部６ｄを必要とするが、フランジ部６ｄまでの膨径部６ｂは、ベアリング保持用として、必要とする以上の軸方向長さとなると共に、径寸法が規制されて、設計上制約され、更なる軸部材、電動リニアアクチュエータの小型化の妨げとなっている。

そこで、本発明は、被削性のよいオーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０３）と表面処理により表面硬度を高くしたクロムモリブデン鋼（例えばＳＣＭ４１５）との異種材を摩擦圧接により一軸状に接合した軸部材、特にクロムモリブデン鋼を小径としオーステナイト系ステンレス鋼を大径とした異径材を摩擦圧接することにより、上述した課題を解決した軸部材を用い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ものである。

本発明は、外周にネジ溝（７ｂ）が形成されている送りネジ軸（７）と、回転軸（６）と、を有する軸部材（８）において、
前記送りネジ軸（７）が表面処理により硬度を高くしたクロムモリブデン鋼からなり、
前記回転軸（６）がオーステナイト系ステンレス鋼からなり、
前記送りネジ軸（７）と前記回転軸（６）とが、その一端面（６ａ，７ａ）を摩擦圧接により接合して一軸状に構成され、
前記摩擦圧接に際して、前記回転軸（６_１）を前記送りネジ軸（７_１）に対して大径のものを用い、
該摩擦圧接による接合面（Ｓ）が、前記送りネジ軸（７_１）から前記回転軸（６_１）に向って凸形状となって、前記接合面（Ｓ）の凸形状の外側である大径の前記回転軸（６_１）側に軟化層が形成され、前記接合面（Ｓ）の凸形状の内側である小径の前記送りネジ軸（７_１）側に硬化層が形成されてなる。

好ましくは、前記送りネジ軸（７）が浸炭焼入れされたＳＣＭ４１５からなり、前記回転軸（６）がＳＵＳ３０３からなる。

本発明は、前記回転軸（６）に、機械加工により前記接合面（Ｓ）側から順次、ベアリング保持部（６ｅ）、ベアリングをスラスト方向に担持するフランジ部（６ｄ）そして電動モータのロータを装着するロータ装着面（６ｃ）を形成してなる。

本発明は、前記送りネジ軸（７）にナット部材（９）を螺合して送りネジ装置（３）を構成し、
前記回転軸（６）に電動モータ（２）を装着した、
上記軸部材（８）を用いた電動リニアアクチュエータにある。

本発明は、前記送りネジ軸（７）にナット部材（９）を螺合して送りネジ装置（３）を構成し、
前記回転軸（６）のロータ装着面（６ｃ）に電動モータのロータを装着し、前記ベアリング保持部（６ｅ）と前記電動モータ（２）のケース（５）との間にベアリング（１６）を介在してなる、
電動リニアアクチュエータにある。

なお、上記カッコ内の符号は図面と対照するものであるが、これにより請求項の記載に何等影響を及ぼすものではない。

本発明によると、送りネジ軸に表面の硬度を高くしたクロムモリブデン鋼を用いるので、送りネジ軸として耐摩耗性が向上し、また回転軸に被削性のよいオーステナイト系ステンレス鋼を用いるので、回転軸は、機械加工により容易に所定形状に加工でき、かつこれら異種材料を摩擦圧接により接合して一軸状に構成したので、材料を溶融させずに、充分な接合強度を得ることができ、これらが相俟って、耐摩耗性が優れかつ信頼性の高い電動リニアアクチュエータを低コストで提供することができる。

浸炭焼入れしたＳＣＭ４１５、ＳＵＳ３０３は、それぞれ送りネジ軸及び回転軸に用いてその性能及びコストのバランスから最適な材料である。

摩擦圧接による接合面が、送りネジ軸から回転軸に向って凸形状となるので、破断部実面積を増加して、摩擦圧接による接合強度を増加することができる。

摩擦圧接に際して、回転軸を送りネジ軸に対して大径のものを用いたので、その接合面を、送りネジ軸側から径の大きい回転軸側に向う凸形状として、破断部となるオーステナイト系ステンレス鋼の軟化部を径の大きい該ステンレス鋼に食い込ませて、引張り強度を向上する。
回転軸母材（６_１）は、大径からなり、ベアリング保持部及びフランジ部等を形成するための機械加工の自由度を向上する。これにより、例えばフランジ部を基準としてベアリング保持部を軸方向に短くかつ大径にすることが可能となり、大径のベアリングの装着により回転負荷容量を保持しつつ、ベアリング保持部、従って軸部材全体の軸方向の短縮化を図ることができる。

これにより、耐摩耗性が優れかつ信頼性の高い電動リニアアクチュエータを低コストで提供することができる。

送りネジ軸と回転軸とを更に強い接合力にて接合し、かつ充分なベアリング容量を保持しつつベアリング保持部の短縮化が可能となり、電動リニアアクチュエータの信頼性及びコンパクト化を図ることができる。

以下、図面に沿って、本発明の実施の形態について説明する。

電動リニアアクチュエータ１は、図１に示すように、電動モータ２と、ボール送りネジ装置３とを有する。電動モータ２は、５相又は２相等のステッピングモータからなり、またボール送りネジ３は、超精密用ミニュチュアボールネジが好ましく、これらステッピングモータの出力特性及び精度、ボールネジのネジ径、リード及び精度は、必要に応じて種々組合され、予め商品群（仕様品）として用意され、又は注文（特殊仕様）に応じて組立てられる。更に、該電動リニアアクチュエータ１は、上記ステッピングモータ用のドライバ、コントローラ等の各種制御機器が準備されており、各種位置決め装置、駆動機器ユニットとして用いられる。

電動モータ２は、ケース５に収納固定されるステータと、該ステータと微小間隙存して配置されるロータとを有しており、ロータには一体に回転軸６（図２参照）が固定されていると共に、該回転軸は、ケース５にベアリングを介して回転自在に支持されている（後述）。該回転軸（６）は、外周にネジ溝が形成されていない円筒形状からなり、非ネジ部を構成する。上記ロータには永久磁石が用いられ、軸方向に磁束回路を形成しないように上記回転軸６には、非磁性体が用いられる。例えば、回転軸６は、防錆性及び加工性に優れたオーステナイト系ステンレス（１８−８ステンレス鋼）が用いられており、具体的にはＳＵＳ３０４（Ｌ，Ｎ１，Ｎ２，ＬＮ），ＳＵＳ３０３（Ｓｅ，Ｃｕ），ＳＵＳ３１６（Ｌ，Ｎ，ＬＮ，Ｔｉ，ＪＩ，ＪＩＬ，Ｆ）等が好ましい。

一方、ボール送りネジ装置３は、送りネジ軸７と、該送りネジ軸の外周に形成されたボールネジ溝７ｂに螺合するボールナット９とからなり、ボールナット９は雄ネジ溝と雌ネジ溝との間に介在するボールを循環するボール循環路を有している。そして、送りネジ軸７は、外周にネジ溝７ｂが形成されてネジ部を構成しており、常にボールが摺接するので、耐摩耗性の高い材料が好ましく、硬度の高い材料から形成されている。硬度の高い材料、例えばＨＲＣ５０以上、好ましくはＨＲＣ５５以上のものは、一般に磁性材料からなり、例え非磁性材料のものがあっても、それは高価であり、また加工性が悪く、実用に供するには困難を伴う。送りネジ軸７は、コスト、加工性及び防錆性等の他の性能と相俟って、マルテンサイト系ステンレス鋼、例えばＳＵＳ４４０Ｃ（ＨＲＣ５５〜５７）、クロムモリブデン鋼、例えばＳＣＭ４１５（ＨＲＣ５８〜６２）、合金工具鋼、例えばＳＫＳ３、高炭素クロム軸受鋼、例えばＳＵＪ２等により形成されるのが好ましい。

本ボール送りネジ装置１にあって、最良の実施の形態は、回転軸６が、被削性のよいオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０３からなり、送りネジ軸７が、浸炭焼入れにより表面の硬度を高くしたクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４１５が用いられる。そして、図２（ａ）に示すように、送りネジ軸母材７ _１が小径（例えばφ８［ｍｍ］）からなり、回転軸母材６ _１が大径（例えばφ１３［ｍｍ］）からなり、これら異種、異径の丸棒母材６_１，７_１が摩擦圧接により接合される。なお、クロムモリブデン鋼は、浸炭焼入れに限らず、窒化、高周波焼入れ、金属浸透等の外の表面処理により表面硬度を高くしてもよい。

ネジ軸母材７ _１は、丸棒素材にネジ切りをした後、浸炭焼入れにより表面の硬度を高くしたものが用いられ、回転軸６ _１は、所定長さの丸棒素材がそのまま用いられ、小径のネジ軸母材７_１が、モータ等の回転ＲとブレーキＢとに連動する主軸チャック１５に、大径の回転軸母材６_１が、回転不能・軸方向摺動自在に支持されると共に軸方向に所定押圧力Ｐ１，Ｐ２が作用する押圧チャック１４に、それぞれの先端面６ａ，７ａが正対するように装着される。そして、主軸チャック１５を所定回転速度（例えば１．６［ｍ／ｓ］）で回転開始した後、上記両端面を接触させ、この状態で押圧チャックに低い押圧力（摩擦圧力Ｐ１）を作用させる。これにより、両母材６_１，７_１の先端面６ａ，７ａは、上記摩擦圧力Ｐ１を作用した状態で所定相対回転速度で摩擦回転し、摩擦熱で発熱させる。充分に発熱して先端面が軟化して、母材６_１が所定設定値（摩擦寄り代Ｕ１）移動すると、押圧チャック１４に大きな加圧力（アプセット圧力Ｐ２）を作用して、上記発熱により軟化した端面６ａ，７ａ付近に、大きな塑性変形（アプセット寄り代Ｕ２）を起すと同時に主軸チャック１５をブレーキＢにより回転停止する。この際、接合界面付近から押し出されて盛上ったバリＣ１，Ｃ２（Ｃ１が回転軸母材６_１からのバリ、Ｃ２がネジ母材７_１からのバリ）が生ずる。

上記アプセット寄り代が２．０〜５．０［ｍｍ］になるように接合条件（摩擦圧力Ｐ１、アプセット圧力Ｐ２、摩擦寄り代Ｕ１、摩擦寄り代が設定値Ｕ１に達するまでの時間Ｔ１等）が設定される（後述）。

上記摩擦圧接は、被接合材である回転軸母材６_１、及びネジ軸母材７_１を溶かさずに接合する固相接合である。接合原理は、接合界面における酸化膜、汚染層などの接合を阻害する表面層を破壊し、新生面同士を凝着、拡散させて接合するものであり、摩擦圧接においては、接合界面を摩擦させ表面層を破壊しながら摩擦熱により加熱し、その後、軟化した接合部付近を塑性変形させ、酸化物等の汚染層をバリとして排出すると同時に新生面同士を押し付けて凝着させ、接合面積を増加させる。破壊された表面層がバリとともに接合界面から排出されるため、それに起因する欠陥が残留しにくいこと、また材料を溶融させず、接合強度を低下させる脆い金属間化合物が生成しにくいこと、などの理由から上記異種材の接合に適している。また、接合界面が雰囲気に触れないため、大気中でのプロセスが可能である。さらに、被接合部材自身の摩擦熱により接合部を加熱するため、他の熱源が不要である。つまり、異種材の接合において、加工コストを大幅に低減でき、信頼性の高い接合が出来る。

そして、ＳＣＭ４１５からなるネジ軸母材７_１を小径とし、ＳＵＳ３０３からなる回転軸母材６_１を大径とする異径材とすることにより、同径材よりも接合面Ｓの強度が向上する。即ち、図３に示すように、接合界面にはマルテンサイト相が生成されていると考えられる硬化層と、接合時の熱影響によるＳＵＳの軟化層が生成している。また、接合界面Ｓは、ＳＣＭが凸、ＳＵＳが凹になっており、ＳＵＳ側に食い込んでいるような形状であり、破断経路であるＳＵＳの軟化層も径の大きいＳＵＳ側に食い込んだ形状であるため、破断面積はφ８のＳＣＭの断面積よりも大きくなっており、強度の上昇に寄与している。

上記回転軸母材６_１とネジ軸母材７_１とが摩擦圧接された軸部８_１は、図２（ｂ）に示すように機械加工が施される。まず、切削加工により、バリＣ１，Ｃ２が除去されると共に回転軸母材６_１の外周面が、母材径寸法Ｄ１をフランジ６ｄの略々外径寸法として削られて、ベアリング保持面６ｅ及びモータ５のロータ装着部６ｃが形成される。この際、回転軸母材６_１は、被削性の良いＳＵＳ３０３からなり、かつバリ取りと同時に行われるので、加工効率が良い。また、ベアリング保持面（部）は、大径の母材６_１からの切削により得られるため、径Ｄ２を比較的大きく形成すると共に軸方向長さＬを小さく設定することができる。更に、上記ベアリング保持面６ｅ、ロータ装着部６ｃ及び送りネジ軸７のネジ溝７ｂ等に研削、研摩加工が施されて、精度の高い軸部材８が得られる。

上記ベアリング保持面６ｅには、図２（ｂ）の下半部に示すように、ベアリング１６のインナレース１６ａが嵌合され、かつそのアウタレース１６ｂがモータケース５のボス部５ａに嵌入する。該ボス部内周面に形成された雌ネジ部５ｂにリング１９が螺着されることにより、ケース５に一体のリング１９と回転軸６のフランジ部６ｄとの間にアンギュラコンタクトタイプのボールベアリング１６が挟持されて、軸部材８をラジカル方向及びスラスト方向に対して回転自在に保持し得る。

従って、浸炭焼入れにより表面硬度の高いクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４１５により送りネジ軸７を形成し、耐摩耗性の優れた寿命の長い送りネジ装置を得られると共に、非磁性体からなりかつ加工性の良いオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０３によりモータ回転軸６を形成して、コストアップを伴うことなく所定のモータ性能を得ることができる。そして、送りネジ軸及び回転軸は、摩擦圧接により接合され、接合界面Ｓに脆い金属間化合物を生成することなく、高い強度でかつ低コストで接合され、特に送りネジ軸母材７_１を小径とし回転軸母材６_１を大径とした異種、異径の摩擦圧接により、同径のものに比して高い強度を得ることができる。

更に、大径の回転軸母材６_１から機械加工によりベアリング保持面６ｅを形成するので、上記摩擦圧接による接合と相俟って、高い自由度のベアリング保持面、例えば大径Ｄ２で軸方向寸法Ｌの短いベアリング保持面を設定して、大径ベアリングを用いることによる所定回転負荷容量を保持しつつ、電動アクチュエータ１の軸方向寸法の短縮化を図ることが可能となる。

ついで、本発明に係る試験結果について説明する。

被削性の良いオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０３と、浸炭焼入れにより表面の硬度を高くしたＳＣＭ４１５を接合することにより、一部は加工性が良く、他の部位は耐摩耗性の高い複合材を作ることが出来る。このような異種材料の接合方法として摩擦圧接法を試みた結果、良好な継ぎ手が得られた。同径φ８の供試材の場合、アプセット寄り代が２ｍｍ以上得られた場合には、接合界面全面が接合され６００ＭＰａ程度の引張強さを示した。また、接合機、供試材の材質、硬さ等の変更した場合、適切なアプセット寄り代を得るための指針として、変更すべき接合パラメータとそれらがアプセット寄り代に及ぼす影響について検討した。

材料の機械的性質は、材質、熱処理や加工により決定されるが、たとえば、製品とするための加工性と強度や耐摩耗性などを両立することは難しく、材料、加工コストともに高くなってしまう。比較的安価な材料を用い、製品に要求されるさまざまな機能、性能の一部を満たすような材料を複合化することにより、コストを抑えより付加価値の高い製品をつくることが出来る。本研究では、浸炭焼入れにより表面硬度の高いクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４１５の丸棒と、被削性の良いＳＵＳ３０３の丸棒の接合を検討した。接合方法として、より加工コストを抑えることが出来、十分な接合強度が期待できる摩擦圧接法を用い、その最適な格好条件について調べた。

本研究ではブレーキ式と呼ばれる摩擦圧接機を用い実験した。また、本研究で用いた各接合パラメータに対応する記号を図４に示す。

摩擦圧接機は、２本の被接合部材の一方を主軸に取り付けて回転させ、もう一方を回転軸と同軸にお互いの端面が正対するように固定し、固定側は油圧によって回転軸と平行にスライドし回転側に押し付けることができる構造となっている。主軸を回転開始した後両者の端面を接触させ、一旦低い荷重（摩擦圧力Ｐ１）で軸方向に押し付けることによって、摩擦熱で発熱させ、さらに大きな加圧（アプセット圧力Ｐ２）を行い、その際に軟化した端面付近に、大きな塑性変形（アプセット寄り代Ｕ２）を起こすと同時にブレーキによって回転停止し、その後、接合界面付近から押し出され盛り上がったバリを必要に応じて除去するというものである。

各段階における、主軸の回転（Ｎ）、加圧力（Ｐ１，Ｐ２）、軸方向の変形量（寄り代）（Ｕ）を図５に模式的に示した。本実験に供する供試材形状を図６に示す。供試体の周速は、すべての実験において、およそ１．６ｍ／ｓｅｃとなるように主軸の回転数を設定した。φ８ＳＣＭ−φ１３ＳＵＳ異径の場合は細径側の周速である。φ８同径の場合の接合条件（摩擦圧力Ｐ１、アプセット圧力Ｐ２、摩擦寄り代Ｕ１）を図７（ａ）に、φ８のＳＣＭとφ１３のＳＵＳの異径の場合の接合条件を図７（ｂ）に示す。

本摩擦圧接では、前述のとおりアプセット時に塑性変形を引き起こすことにより、大きなバリを生成する。接合条件の違いにより、バリの生成状態が異なる。

接合界面付近の断面組織は、接合界面に向かって微細な組織になっており、アプセット時には、接合界面付近に大きな加圧と塑性流動が起こっている。接合界面付近のＳＣＭ側の組織は、非常に微細な組織になっている。ＳＵＳ側は、軸方向と垂直方向への材料の塑性流動が見られる。

図８に、表に示した条件（摩擦圧力Ｐ１、アプセット圧力Ｐ２、摩擦寄り代Ｕ１）で接合した供試材を引張試験した結果を示す。摩擦圧力、アプセット圧力の大きい条件では、引張強さがほぼ同等の６００−５９０ＭＰａという結果となったが、摩擦、アプセット圧力が小さい条件では引張強さが小さくなった。

引張試験による引張破面写真を検討すると、引張強度が６００ＭＰａ程度の接合条件ではほぼ全面接合しているのに対し、摩擦圧力、アプセット圧力が小さく接合強度の小さい条件では部分的な接合となっており、これが接合強度の差になっていると考えられる。

アプセット過程は、摩擦過程後に摩擦圧力よりもさらに大きな圧力を軸方向に付加し、大きな変形を与え、バリを排出させる過程であり、そのパラメータであるアプセット寄り代は、接合状態を直接表している重要なパラメータとなる。図９にφ８同径供試材におけるアプセット寄り代と引張強さとの関係を示す。

アプセット寄り代が２．０ｍｍ程度以上になると引張強さが飽和値に達している。引張破断面観察より、２．０ｍｍ以上のアプセット寄り代が得られる条件では、ほぼ接合界面全面が接合されたのに対し、２．０ｍｍ以下のものでは、破面に非接合面が観察される。そして、アプセット寄り代２．０ｍｍ以下の場合の引張強度は実際に接合が行われた面積に依存していると考えられる。また、５．０ｍｍ以上のアプセット寄り代が得られる条件では引張強さが若干低下する傾向がある。図１０に接合界面付近の断面軸方向の硬さ分布を示す。ＳＵＳの接合界面付近で硬さが低下しており、ＳＣＭ側破断部にＳＵＳの破面が残留していることから、破断経路はＳＵＳの熱影響部であると考えられる。全面接合される条件において接合強度は、このＳＵＳ熱影響部が破断経路となるため、アプセット寄り代の増加につれて引張強さが飽和し、熱影響部の軟化のため、若干の低下傾向を示すものと考えられる。

摩擦過程は接合界面発熱のための過程であり影響するパラメータは周速、摩擦圧力、摩擦寄り代、摩擦時間である。本研究では、周速一定で行っているのでそれ以外の摩擦過程のパラメータが相互にどのように関連し、アプセット寄り代に影響を与えるかを検討した。図１１に摩擦寄り代と摩擦時間との関係を示す。これらは、加圧条件により傾きは異なるが、比例関係が見られる。このことは、摩擦圧力による変形が一定の速度で進むことを示している。その変形は、摩擦圧力が大きくなるほど速くなり、一定の寄り代を得るための時間、すなわち摩擦時間が短くなる。

また、熱により材料が軟化すると塑性変形しやすくなるため、摩擦過程における発熱量はアプセット寄り代で類推できる。図１２に摩擦時間とアプセット寄り代との関係を示す。

各条件において、摩擦時間が長くなるほど、アプセット圧力が大きくなっており、摩擦時間が長くなるに従い、発熱量が大きくなっていることを示している。加圧力に注目すると、例えば、最も加圧力の大きいＰ１＝１２０ＭＰａ，Ｐ２＝３００ＭＰａの条件では、必要な摩擦寄り代を得るための時間が短く、摩擦時間が短くなる結果、発熱量があまり大きくならないため、アプセット圧力は最も大きい条件であるにもかかわらず、アプセット寄り代は、他のアプセット圧力の小さい条件より小さい値にとどまっている。

これは、より大きなアプセット寄り代を得るためには、アプセット圧力を大きくするよりも、むしろ摩擦圧力を低下させることで摩擦時間を適当に長くすることで発熱量を大きくした方が効果的であることを示している。

しかし、接合時の発熱量は、十分なアプセットを得るための軟化にも寄与するが、接合強度の低下の原因となる。図１３に、摩擦時間と引張強さとの関係を示す。

摩擦圧力の小さいＰ１＝４０、６０ＭＰａの条件では、摩擦圧力が小さすぎるため、図１２からもわかるように、アプセット寄り代も不十分でその結果として接合強度が非常に小さい。一方、全面接合になっていると思われるその他の条件では、摩擦時間の増加に伴い引張強度が漸減している。この結果からも、破断経路がＳＵＳ熱影響部であること、摩擦時間が長いほど発熱量が大きいため、軟化の度合いも大きく、接合強度が低下するということを確認できる。

異なる接合機で最適な接合条件が異なる場合がある。この原因として考えられるパラメータは、アプセット時における接合機の主軸の制動特性である。その装置依存パラメータとしては、主軸のイナーシャ、ブレーキの構造、容量、応答性などが挙げられる。これらは、制動指令が出てから完全に回転停止するまでの時間の変化として表れる。これと関係する制御パラメータは、制動指令からアプセット圧力を付与されるまでの時間、すなわちアプセット遅れ時間である。これを変化させることにより、主軸が完全に停止するまでにアプセット圧力が付与される時間を変化させることが出来る。本研究では、アプセット遅れ時間というパラメータがアプセット寄り代、接合強度に及ぼす影響を検討し、接合機変更による制動性能の違いによる接合条件の変化への対応の可能性について検討した。図１４にφ８ＳＣＭ−φ１３ＳＵＳ供試材におけるアプセット遅れ時間の影響を示す。アプセット遅れ時間は０ｓｅｃ、０．２ｓｅｃの２条件である。

アプセット遅れ時間０ｓｅｃでは０．２ｓｅｃの条件に比べ、アプセット寄り代が大きくなり、結果として引張強さが大きくなっている。これは、回転しながらアプセット圧力が付加される場合、より大きな塑性変形量つまりアプセット寄り代が得られるためであると考えられる。この結果から、接合機の制動性能の変化で、回転停止時間が変化したことにより、アプセット寄り代が変化した場合、アプセット遅れ時間を変化させることによりアプセット寄り代を調整できることを確認できた。

図１４はφ８ＳＣＭ−φ１３ＳＵＳの異径の供試材の結果である。異径の供試材では、同径の場合と異なり、引張強さが６００ＭＰａ程度で飽和せず、条件によってはアプセット寄り代の増加に伴い、引張強度が向上している。前述のとおり、同径の場合では、接合界面付近の熱影響部が破断経路となり、引張強度がその熱影響部の強度に収束した。異径の場合の接合界面付近の軸方向の硬さ分布を検討すると、接合界面付近が硬化していることがわかる。接合界面付近のＣｒ、Ｎｉのマッピング、および軸方向硬さ分布を検討すると、接合界面付近には、母材とは成分の異なる硬化層が生成している。この部分で簡易定量分布を行った結果、およそＣｒ（４．１％）、Ｍｎ（１．１％）、Ｆｅ（８７．３％）、Ｎｉ（１．５％）であった。またこの硬化層において、炭素量は母材であるＳＣＭ、ＳＵＳと同程度であると仮定すると、０．１〜０．２％程度である。これからＣｒ当量＝４．１％、Ｎｉ当量＝１．５＋３０×（０．１〜０．２）＋０．５×１．１＝（５〜８）％となり、ｓｃｈａｅｆｆｌｅｒ（シェフラー）の組織図と照らし合わせるとマルテンサイト相の領域であり、中間層における硬化の要因はこのマルテンサイト相によるものと推測される。

引張破断部の断面におけるＣｒマッピングを検討すると、Ｃｒ量の多いＳＵＳ側で破断しているのが確認できる。従って、異径の場合も同径の場合同様、ＳＵＳ側の熱軟化部であると考えられる。しかし、前述のとおり、異径の場合には同径の場合よりも引張強さが大きな値となり、アプセット寄り代に比例し増加する傾向を示している。この理由として、ＳＵＳ３０３の軟化が抑えられたこと、または、材料が強化されたということは考えにくい。なぜなら、アプセット寄り代が大きい場合には十分な発熱が得られているため、接合部付近の熱影響は避けられず、図１５に示されるようにφ８−φ８同径の試験片と同程度もしくはそれ以上の硬度低下が見られるからである。以上のことから、この引張強さの向上は、破断経路の変化による破断部実面積の増加によるものではないかと考えられる。

以上の試験結果から、次のことが導き出せる。

（１）ＳＣＭ４１５とＳＵＳ３０３の異種材の接合に摩擦圧接を適用した結果、良好な継ぎ手を得ることが出来た。φ８同径の接合では十分なアプセット寄り代が生じる条件で、６００ＭＰａ程度の引張強さを示した。

（２）アプセット寄り代が増加するに従い接合強度は増大し、ある値に達すると接合強度は飽和し、減少する傾向を示す。アプセット寄り代を管理することで接合品質を管理できる。

（３）適切なアプセット寄り代を得るために、接合パラメータをどのように調整すべきかを検討し、いくつかの知見を得た。摩擦過程のパラメータ、アプセット遅れ時間を変化させることで、アプセット寄り代を有効に調整できることが分かった。

（４）φ８ＳＣＭ−φ１３ＳＵＳの異径の接合では、接合界面付近に硬化層が出来ること、破断経路となるＳＵＳの熱影響部が径の大きいＳＵＳの内部の方に移動するため、破断面積が大きくなることで、接合強度が向上することが分かった。

本発明を適用し得る電動アクチュエータを示す正面図。その軸部材の製品過程を示す図で、（ａ）は、摩擦圧接を示し、（ｂ）は、機械加工を示す。摩擦圧接による接合界面部分を拡大して示す断面図。各接合パラメータに対応する記号を示す図。摩擦圧接工程を示す模式図。供試材形状を示す正面図。接合条件を示す表で、（ａ）は、同径の場合、（ｂ）は、異径の場合を示す。各接合条件における引張強さを示す表。アプセット寄り代と引張強さとの関係を示す図。接合界面付近の硬さ分布を示す図。摩擦寄り代と摩擦時間との関係を示す図。摩擦時間とアプセット寄り代との関係を示す図。摩擦時間と引張強さの関係を示す図。アプセット遅れ時間によるアプセット寄り代、引張強さの関係を示す図。接合界面付近のＳＵＳ軟化部の硬さを示す図。従来の技術による軸部材を示す一部断面した正面図。

符号の説明

１電動リニアアクチュエータ
２電動モータ
３送りネジ装置
５ケース
６回転軸
６_１回転軸母材
６ａ一端面
６ｃロータ装着面
６ｄフランジ部
６ｅベアリング保持部（面）
７送りネジ軸
７_１ネジ軸母材
７ａ一端面
７ｂネジ溝
８軸部材
９ナット部材

Claims

外周にネジ溝が形成されている送りネジ軸と、回転軸と、を有する軸部材を備え、前記送りネジ軸にナット部材を螺合して送りネジ装置を構成し、前記回転軸に電動モータを装着してなる電動リニアアクチュエータにおいて、
前記送りネジ軸が表面処理により硬度を高くしたクロムモリブデン鋼からなり、
前記回転軸がオーステナイト系ステンレス鋼からなり、
前記送りネジ軸と前記回転軸とが、その一端面を摩擦圧接により接合して一軸状に構成され、
前記摩擦圧接に際して、前記回転軸を前記送りネジ軸に対して大径のものを用い、
該摩擦圧接による接合面が、前記送りネジ軸から前記回転軸に向って凸形状となって、前記接合面の凸形状の外側である大径の前記回転軸側に軟化層が形成され、前記接合面の凸形状の内側である小径の前記送りネジ軸側に硬化層が形成されてなり、
前記回転軸に、機械加工により前記接合面側から順次、ベアリング保持部、ベアリングをスラスト方向に担持するフランジ部そして前記電動モータのロータを装着するロータ装着面を形成し、
前記回転軸のロータ装着面に前記電動モータのロータを装着し、前記ベアリング保持部と前記電動モータのケースとの間にベアリングを介在してなる、
ことを特徴とする電動リニアアクチュエータ。
前記送りネジ軸が浸炭焼入れされたＳＣＭ４１５からなり、前記回転軸がＳＵＳ３０３からなる、
請求項１記載の電動リニアアクチュエータ。