JP5300978B2 - リニアアクチュエータ及びフォークリフト - Google Patents

Description

本発明は、回転駆動源の回転運動を直動運動に変換するリニアアクチュエータと、これを備えたフォークリフトに関する。

近年、環境問題や温暖化対策の一環として、従来からの油圧アクチュエータに代えて、電動アクチュエータを各種機器のアクチュエータとして利用する志向が高まっている。これは、電動アクチュエータを利用すると、油圧機器で必要な作動油が不要となるため環境対策になること、及び電動化による効率向上によって消費動力を削減できることに加え、動力回生を活用した一層の消費動力削減ができること、エネルギ源を内燃機関の燃料から電力に変換することによりアクチュエータ稼動現場でローカルな環境負荷低減ができること、そして、バッテリーを介した深夜電力利用による広域でのエネルギの有効利用ができること等を狙ったものである。この流れは、建設機械などに多用されている油圧シリンダのように大きな推力を発生させるリニアアクチュエータの分野にも及んでおり、大推力に耐える電動リニアアクチュエータのニーズが高まっている。

電動リニアアクチュエータで用いられる回転−直動変換機構としては、ネジ軸とナット部材の隙間に配置される転動体として小球を利用したボールネジがある。しかし、この技術では、ネジ軸及びナット部材と小球の接触が点接触となり、大きなヘルツ応力が生じてフレーキングが発生してしまうので、大推力用に使用され長期寿命を要求される場合には充分な耐久性を保証しにくい。

この種の課題の解決を図ったリニアアクチュエータとしては、ボールネジの小球に代えて、ネジ軸の中心軸に対して略平行に設置された自転軸を中心に回転するローラを転動体として採用したものがある（特開昭６１−２８６６６３号公報、実用新案登録第２５９４５３５号等参照）。また、ネジ軸の中心軸と略直交する平面に設置された自転軸を中心に回転するローラを転動体としたものがある（特公平６−１７７１７号公報、実開昭６２−９１０５０号公報等参照）。これらの技術は、上記のローラを転動体として用いることによりローラとネジ軸を線接触させる（あるいはそれに近い接触状態とする）ことで、ヘルツ応力を低減してフレーキングに対する耐久性の改善を図ろうとしている。

特開昭６１−２８６６６３号公報 実用新案登録第２５９４５３５号 特公平６−１７７１７号公報 実開昭６２−９１０５０号公報

ところで、上記のようにネジ軸とローラを線接触させるためには、両者の接触部を設計通りに平行な状態で接触させる必要がある。しかし、現実のリニアアクチュエータの機構を考えた場合には、各部品には寸法誤差が存在するため、相対運動する部品間にはガタが存在する。このことは、組み立てられた状態や荷重等が作用している状態において、部品相互の位置関係や相対的な姿勢（傾斜）が設計通りの理想的な状態にならないため、ばらつきが生じることを覚悟する必要があることを意味している。

したがって、寸法誤差で生じるガタのためにネジ軸とローラの接触部が設計通りに平行とならない。そのため、ネジ軸とローラは線状には接触できず片当たり状態（点接触）で接触するので、エッジロードとして大きなヘルツ応力が発生してしまう。これは接触状態を点から線にすることで接触部の方向性が新たな管理項目として加わるので、寸法誤差や組立誤差等に対する許容度が低下することを意味している。すなわち、現実には、ネジ軸とローラを安定して線接触状態で接触させることは難しく、ヘルツ応力を低減してフレーキングに対する耐久性を改善することは依然として難しい。

本発明の目的は、部品に寸法誤差があり部品間にガタが存在しても、ローラとネジ軸を確実に線接触状態で接触させることができるリニアアクチュエータを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、ネジ軸と、このネジ軸の外周に螺旋状に形成されたネジ山と、このネジ山のフランク面と接触する転動面を有し、自転軸を中心に回転することで前記転動面を介して前記フランク面上を転動するメインローラと、このメインローラを前記自転軸を中心に回転可能に支持するローラ支持部材と、前記転動面を介して前記フランク面から前記メインローラに伝達される力に対して前記ローラ支持部材を揺動可能に支持し、前記メインローラが転動すると前記ネジ軸の周りを前記ネジ軸に対して相対的に回転するローラケージとを備えるものとする。

本発明によれば、部品に寸法誤差があり部品間にガタが存在しても、ローラとネジ軸を確実に線接触状態で接触させることができる。

本発明の実施の形態であるリニアアクチュエータの側面図。 図１中のII方向から見たリニアアクチュエータの正面図。 図１中のIII方向から見たリニアアクチュエータの上面図。 図１中のIV方向から見たリニアアクチュエータの下面図。 図３及び図４中のV-V断面図。 図３からローラ支持部材周辺を抜き出して示した上面図。 図６中のVII-VII断面図。 図７と同じ方向から見たローラ支持部材の外観図。 図４中のIX-IX断面図。 本発明の実施の形態であるリニアアクチュエータの自動調心機構の原理説明図。 本発明の実施の形態であるリニアアクチュエータを備えるフォークリフトの側面図。 図１１中のフォークリフトにおけるマスト付近の拡大図。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態であるリニアアクチュエータの側面図であり、図２は図１中のII方向から見たその正面図であり、図３は図１中のIII方向から見たその上面図であり、図４は図１中のIV方向から見たその下面図であり、図５は図３及び図４中のV-V断面図である。なお、図５のV-V断面図は、図３及び図４においてネジ軸１の中心軸を紙面に対して垂直に通過する平面を切断面として設定したものである。

これらの図に示すリニアアクチュエータは、ネジ軸１と、ローラケージ２と、ローラ支持部材６と、メインローラ４と、補助ローラ１２（図５参照）を主に備えている。

ネジ軸１の外周には螺旋状に形成されたネジ山３０が設けられている。ネジ山３０は、その底部が頂部よりも大きくなるように形成されている。本実施の形態におけるネジ山３０は、台形状の断面を有しており、ネジ軸１の径方向外側における面はネジ軸１の中心軸に対して略平行になっている。そして、その略平行な面の両端からは、傾斜状のフランク面１ａ，１ｂがネジ軸１に向かって広がっている。すなわち、本実施の形態におけるフランク面１ａ，１ｂは、ネジ山３０の底部が頂部よりも大きくなるように、ネジ軸１の中心軸に対して傾斜している。このように形成されたネジ山３０によってネジ軸１の外周にはネジ溝が形成され、ネジ軸１は雄ネジとなっている。なお、以下において適宜、図１におけるネジ山３０の頂部の右側のフランク面を右フランク面１ａとし、左側のフランク面を左フランク面１ｂとする。

ローラケージ２は、ローラ支持部材６を介してメインローラ４を支持し、メインローラ４がネジ山３０上を転動するとネジ軸１の周りをネジ軸１に対して相対的に回転するものである。ローラケージ２は、ローラ支持部材６及びメインローラ４が挿入されるメインローラ挿入孔３（３ａ，３ｂ，３ｃ）と、揺動ピン７が挿入される揺動ピン挿入孔２ａと、補助ローラ１２及び補助ローラ位置調整手段２０が挿入される補助ローラ挿入孔２ｂと、すべりキー９が挿入されるキー溝２ｃ（図４参照）と、図１におけるローラケージ２の左側の端面である左側端面２ｅと、図１におけるローラケージ２の右側の端面である右側端面２ｆを備えている。ローラケージ２とネジ軸１は、メインローラ４の転動面４ｃ（図５参照）を介してのみ接触しており、他の部分では非接触状態となっている。メインローラ４が転動すると、ローラケージ２がネジ軸１の周りをネジ軸１に対して相対的に回転し、ネジ軸１とローラケージ２の間に相対的な直動運動が生成される。

メインローラ挿入孔３は、図５に示すように、ローラ支持部材６及びメインローラ４の形状に合わせて形成されている。メインローラ挿入孔３に挿入されたローラ支持部材６は、揺動ピン挿入孔２ａと揺動ピン挿入穴６ａ（後述の図６参照）に架け渡された２本の揺動ピン７によって揺動可能に支持されている。

本実施の形態のローラケージ２には、３つのメインローラ挿入孔３ａ，３ｂ，３ｃが設けられており、３つのローラ支持部材６が収納されている。ここでは、図１における紙面奥から手前に向かって順番に、メインローラ挿入孔３ａ（図１では非表示）、メインローラ挿入孔３ｂ、メインローラ挿入孔３ｃとする。メインローラ挿入孔３ｂは、メインローラ挿入孔３ａをネジ軸１のリードＬ（図１参照）の３分の１だけ図１中の右方向（ネジ軸１の軸方向）に移動させ、かつネジ軸１の中心軸周りに１２０度（３分の２π）だけ回転させた位置に配置されており、メインローラ挿入孔３ｃは、このメインローラ挿入孔３ｂの位置からリードＬの３分の１だけ図１中の右方向に移動させ、かつネジ軸１の中心軸周りに１２０度だけ回転させた位置に配置されている。

ここで図６，７，８を用いてローラ支持部材６及びメインローラ４の詳細な構成について説明する。

図６は図３からローラ支持部材６周辺を抜き出して示した上面図であり、図７は図６中のVII-VII断面図であり、図８は図７と同じ方向から見たローラ支持部材６の外観図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図も同様とする）。

これらの図に示すローラ支持部材６は、転がり軸受（円錐コロ軸受）５と、転がり軸受５を介して自転軸Ｄ（図７参照）を中心に回転可能に支持されたメインローラ４と、揺動ピン７が挿入される２つ揺動ピン挿入穴６ａを備えている。

メインローラ４は、図７に示すように、VII-VII断面上に位置する自転軸Ｄと、右フランク面１ａ上を転動する転動部４ｅと、転動部４ｅから突出し自転軸Ｄをその中心に有する回転軸４ａと、転動部４ｅにおけるネジ軸１側の端面である内側端面４ｄを備えており、自転軸Ｄを中心に回転することで右フランク面１ａ上を転動する。

転動部４ｅの周方向には、右フランク面１ａと接触する転動面４ｃが設けられており、転動部４ｅはこの転動面４ｃを介して右フランク面１ａ上を転動する。転動面４ｃは、右フランク面１ａと線接触可能に形成されている。このように転動面４ｃと右フランク面１ａを線接触させると、ヘルツ応力が低減してフレーキングに対する耐久性を改善することができる。ここでは、転動面４ｃと右フランク面１ａとの接触部分を「線状の接触区間（接触区間）Ｎ」と称する（図７参照）。

本実施の形態では、接触区間ＮはVII-VII断面上に位置するものとして近似している。すなわち、図７において転動面４ｃが接触している右フランク面１ａの輪郭線が接触区間Ｎに相当するものとして説明している。なお、厳密には、接触区間ＮにおけるＰ_３以外の点はVII-VII断面上に位置しない。具体的には、図７において、接触区間ＮにおいてＰ_３からネジ軸１の中心軸側に位置する点ほど紙面の手前側に偏位し、Ｐ_３からネジ軸１の中心軸から離れる側に位置する点ほど紙面の奥側に偏位する。これは、右フランク面１ａ上の任意の基準点を通過しネジ軸１と中心軸を共有する円筒面上に位置する螺旋であって、当該基準点を通過しネジ軸１と同一のリードＬ（図１参照）を有する螺旋を想定すると、基準点を変更して得られる各螺旋のリード角は基準点の位置に依存するため一定とはならず、Ｐ_３を通る螺旋であって、VII-VII断面とネジ軸１の中心軸との公差角γに等しいリード角γを持つ螺旋Ｅ（図３参照）のみがＰ_３において転動面４ｃと接することができるからである。したがって、Ｐ_３以外の点を通る他の螺旋と転動面４ｃとの接点は、上記のように、各螺旋のリード角と公差角γとの差に応じて図７の紙面に対する垂直方向の前後に偏位するのである。すなわち、本実施の形態では、この紙面からの偏位量は微小であるとみなし、接触区間Ｎを近似している。

ところで、本実施の形態のようにネジ山３０の右フランク面１ａがネジ軸１の中心軸に対して傾斜している場合には、各メインローラ４を、その自転軸Ｄ方向における一定の範囲において、転動部４ｅの直径がネジ軸１に近づくにつれて右フランク面１ａの形状に合わせて徐々に小さくなるように形成することが好ましい。このようにメインローラ４を形成すると、メインローラ４とネジ軸１のそれぞれの中心軸から遠い部分同士及び近い部分同士を互いに接触させることができ、両者が接触しているいずれの点においてもすべりを微小にできるからである。

また、本実施の形態における自転軸Ｄは、自転軸Ｄを仮想的に延長した直線がネジ軸１と交差する姿勢を保持するように、ローラケージ４に対して固定されている。また、これを換言すると、メインローラ４の自転軸Ｄは、ネジ山３０のリード角γ（図３参照）と概ね等しい角度でもってネジ軸１の中心軸と交差する平面（本実施の形態では後述のVII-VII断面における平面）上に位置していると表現することもできる。ここで、当該平面がネジ軸１の中心軸と交差する角度が、リード角γと「概ね」等しいとしたのは下記の理由による。リード角γは、ネジ軸１の中心軸からの距離が一定の所定の円筒面と右フランク面１ａとの交差線から求められる。しかし、右フランク面１ａは、ネジ軸１の径方向においてネジ軸１の中心軸から所定の範囲（すなわち、ネジ山３０の高さ分）にわたって存在するため、右フランク面１ａ上のどの箇所を選択するかによってリード角γも所定の範囲をもった値となる。そのため、自転軸Ｄが含まれる平面の角度とリード角γを厳密に対応させることが困難だからである。なお、他のメインローラ４の自転軸Ｄについても、上記メインローラ４と同様に、ネジ軸１の中心軸とγの角度で交差する平面内に収まっている。

上記のような姿勢で自転軸Ｄを保持しつつ右フランク面１ａと接するように転動面４ｃを形成すると、転動面４ｃと右フランク面１ａが接触する部分において、それぞれの中心軸から近い部分同士を接触させることができ、かつそれぞれの中心軸から遠い部分同士を接触させることができる。これによりメインローラ４とネジ山３０の間に局所的なすべりが生じることを抑制することができるので、高効率化を実現することができる。

さらに、本実施の形態における自転軸Ｄは、上記の姿勢を保持しながら、転動面４ｃが接触しているネジ山３０側に傾斜した姿勢で保持されている。すなわち、自転軸Ｄは、図７に示すように、V-V断面内において転動面４ｃと右フランク面１ａとの接触部側に傾斜している。このように自転軸Ｄを右フランク面１ａ側に傾けると、転動面４ｃが接触しているネジ山３０と１ピッチ分間隔を介したネジ山３０（図５において転動面４ｃが接触しているネジ山３０の右側のネジ山３０）の外側にメインローラ４の内側端面４ｄを配置させることができるので、自転軸Ｄを傾けない場合と比較してメインローラ４の転動部４ｅの直径（より具体的には内側端面４ｄの直径）を大きくすることができる。これにより、例えば、内側端面４ｄの直径をネジ山３０のピッチ（本実施の形態ではリードＬにも相当）よりも大きくすることができるので、転動面４ｃが接触しているネジ山３０の隣りのネジ山３０と内側端面４ｄを対向させることができる。したがって、上記のようにメインローラ４の自転軸Ｄをネジ山３０側に傾斜した姿勢で保持すると、転動部４ｅの直径を大きくすることができるので、転動面４ｃと右フランク面１ａに生じるヘルツ応力が大幅に低減してフレーキング寿命を延ばすことができる。

なお、上記のように内側端面４ｄがネジ山３０と対向する程度にまで転動部４ｅの直径を大きくする場合には、図５等に示すように、内側端面４ｄにすり鉢状の凹部を形成することが好ましい。このように内側端面４ｄに凹部を形成すれば、内側端面４ｄがネジ山３０と接触することを回避できるからである。また、このように内側端面４ｄに凹部を形成すると、メインローラ４の自転軸Ｄをネジ山３０側傾斜させる際の傾斜量が小さくても、次のピッチにおけるネジ山３０と干渉することが避けられるようになる。このように自転軸Ｄの傾斜量を小さくすると、転動部４ｅの径が同じであってもローラケージ３の外径を小さく抑えることができる。

図６において、揺動ピン挿入穴６ａに挿入された２本の揺動ピン７は、Ｈ軸方向に同軸配置されている。

ここで、揺動ピン７の揺動軸Ｈを定義するにあたって、接触区間Ｎにおける任意の１点を代表点Ａとする（理由は後述するが、本実施の形態では、接触区間Ｎにおける略中央に位置する点Ｐ_３を代表点Ａとしている）。そして、代表点Ａ（Ｐ_３）を通過しネジ軸１と中心軸を共有する円筒面上に位置する螺旋であって、代表点Ａを通過しネジ軸１と同一のリードＬを有するものを代表螺旋Ｅ（図３参照）とする。さらに、代表点Ａにおいて代表螺旋Ｅと略直交する平面を代表平面Ｓとする（本実施の形態における代表平面ＳはVII-VII断面となっている）。なお、上記の「略直交」における「略」とは、完全な直交状態だけでなく、誤差や公差等を含んだ実質的な状態を含む語であるものとする（以下に用いる「略」についても同様とする）。

このとき、揺動軸Ｈは代表平面Ｓと交差しており、揺動軸Ｈと代表平面Ｓとの交点は、代表平面Ｓ上において代表点Ａを通過する直線Ｉ上又はその直線Ｉの近傍に位置している。また、揺動軸Ｈは、図３に示すように、ネジ軸１の中心軸に直交する面とγの角度で交差するように固定されている。このように揺動軸Ｈを設定すると、転動面４ｃを介して右フランク面１ａからメインローラ４に伝達される力Ｆに対して、ローラ支持部材６を揺動軸Ｈを中心に揺動させることができる。すなわち、メインローラ４に伝達される力Ｆが、代表点Ａを基準として接触区間Ｎの一端側に偏位して作用したとき、代表点Ａを基準として接触区間Ｎの他端側を右フランク面１ａに近づける方向にメインローラ４を揺動させることができる。

なお、ここにおいて、力Ｆによってメインローラ４を効率良く揺動させる観点からは、揺動軸Ｈは代表平面Ｓと略直交していることが好ましい。これを受けて、本実施の形態における揺動軸Ｈは、点Ｐ_４において代表平面Ｓと直交している。これは、図８において、揺動軸ＨとVII-VII断面との交点であるＰ_４に揺動軸Ｈが完全に重なっていることから、揺動軸Ｈが交点Ｐ_４でVII-VII断面と直交していることから分かる。

また、力Ｆによってメインローラ４をさらに効率良く揺動させる観点からは、揺動軸Ｈと代表平面Ｓとの交点は、直線Ｉ上に位置させることが好ましい。これを受けて、本実施の形態における点Ｐ_４は直線Ｉ上に位置している。

さらに、接触区間Ｎにおける応力分布の均一化を図る観点から、代表点Ａは接触区間Ｎにおける略中央に位置するように選択することが好ましい。本実施の形態では、これを受けて、接触区間Ｎの中央に位置する点Ｐ_３を代表点Ａとして選択している。なお、図３では、ローラケージ２やローラ支持部材６等に隠れているため、Ｐ_３の周辺において代表螺旋Ｅを示していない。しかし、図３においてネジ軸１の中心軸を通過して紙面に垂直な平面と代表螺旋Ｅとの交点群を求めたとき、Ｐ_３は、図５に示すようにＰ_１とともに当該交点群のうち紙面手前側の交点群に含まれている。したがって、代表螺旋ＥがＰ_３を通過することは明らかであるので、上記のようにVII-VII断面を代表平面Ｓと設定することができる。

なお、代表平面Ｓは、上記と異なる表現を用いれば、代表螺旋Ｅのリード角をθとし、図３においてネジ軸１の中心軸を通過して紙面に垂直な平面と代表螺旋Ｅとの交点群を求めたとき、当該交点群のうち紙面手前側の交点群の１つを通過する平面であって、ネジ軸１の中心軸とリード角θで交差する直線で示される平面であると換言することができる。この表現に基づくと、VII-VII断面は、図３において、紙面手前側の交点群の１つであるＰ_３を通過する平面であって、ネジ軸１の中心軸とリード角γで交差する直線で示される平面と表すことができる。また、図３上では、代表螺旋Ｅのリード角γは、Ｐ_１における代表螺旋Ｅの接線Ｆとネジ軸１の中心軸に対する垂直線Ｇとの公差角である。Ｐ_３を通過するVII-VII断面がネジ軸１の中心軸と公差する角度と、代表螺旋Ｅ１がネジ軸１に垂直な面と公差する角度とは、それぞれ同じ角度γであるので、VII-VII断面と代表螺旋Ｅ１はＰ_３において直交する。

ところで、揺動ピン７は、上記のように各ローラ支持部材６の揺動軸になると同時に、そこに発生するせん断応力によってローラケージ２と各ローラ支持部材６との間で荷重を伝達する機能も果たしている。

また、図５等を参照すると分かるが、メインローラ挿入孔３とローラ支持部材６との間に隙間が確保されるようにローラケージ２は形成されている。これは、ローラ支持部材６が上記のように所定の揺動角範囲で揺動運動する際に、ローラ支持部材６とローラケージ２が干渉することを回避するためである。なお、揺動軸Ｈ方向におけるメインローラ挿入孔３の２面幅寸法Ｗ１（図３参照）とローラ支持部材６の２面幅寸法Ｗ２（図６参照）の差は他の部分と比較して小さくなるように加工されており、揺動軸Ｈ方向においてローラケージ２に対するローラ支持部材６の位置が大きく変化しないように構成されている。

補助ローラ挿入孔２ｂは、ローラケージ２の半径方向に形成された略円筒状の孔であり、図５に示すように、各メインローラ挿入孔３（各メインローラ４）の位置からネジ軸１の周方向に略１８０度離れた位置にそれぞれ設けられている。すなわち、本実施の形態のローラケージ２には、３つのメインローラ挿入孔３ａ，３ｂ，３ｃと同数の３つの補助ローラ挿入孔２ｂが設けられている。各補助ローラ挿入孔２ｂには、補助ローラホルダ１５と、補助ローラ１２と、補助ローラ位置調整手段２０等が挿入されている。

図９は図４中のIX-IX断面図であり、補助ローラ挿入孔２ｂの近傍を示している。IX-IX断面は、図４において紙面に直交しネジ軸１の中心軸を通過する平面を、補助ローラ１２とネジ山３０の接触点Ｐ_７を中心にγ’だけ回転させたものである。γ’は、Ｐ_７を通過しネジ軸１と中心軸を共有する円筒面上に位置する螺旋であって、Ｐ_７を通過しネジ軸１と同一のリードＬを有する螺旋のリード角である。

この図に示す補助ローラホルダ１５におけるネジ軸１側には、補助ローラ１２が自転軸Ｊを中心に回転可能に補助ローラ軸１４によって支持されている。補助ローラ１２の自転軸Ｊは、IX-IX断面上に位置しており、補助ローラ１２は、メインローラ４が転動する右フランク面１ａに対向した他のフランク面（左フランク面１ｂ）上を転動する。補助ローラ１２の軸方向断面における外周側輪郭は、軸方向における中央部分の直径が他の部分の直径より大きくなるように曲率をもって形成されており、補助ローラ１２は点Ｐ_７において左フランク面１ｂと点接触している。また、補助ローラ１２はニードル（軸受）１３を介して補助ローラ軸１４に回転可能に取り付けられており、補助ローラ軸１４は固定ナット１６によって補助ローラホルダ１５に固定されている。

補助ローラ軸１４の固定ナット１６側の端部と固定ナット１６の一部は、補助ローラホルダ１５から突出している。このように突出した補助ローラ軸１４及び固定ナット１６がローラケージ２と干渉しないように、補助ローラ挿入孔２ｂには円弧状切り欠き２ｄが形成されている。また、補助ローラ挿入孔２ｂの側面には、IX-IX断面以外の方向に凹状のキー溝２ｃが形成されている（図４参照）。キー溝２ｃにはすべりキー９が挿入されており、すべりキー９は補助ローラ挿入孔２ｂ内における補助ローラホルダ１５の回転を拘束している。すなわち、このすべりキー９によって、補助ローラ１２の自転軸Ｊが常にIX-IX断面上に保持されている。

補助ローラホルダ１５におけるネジ軸１の径方向外側には、ネジ軸１に対する補助ローラ１２の自転軸Ｊの固定位置を調整する補助ローラ位置調整手段２０が取り付けられている。本実施の形態における補助ローラ位置調整手段２０は、アジャストナット１０とロックナット１１で主に構成されている。

アジャストナット１０は、その外周に雄ネジ部を有しており、補助ローラホルダ１５と隣接してネジ軸１の径方向外側に取り付けられている。アジャストナット１０の雄ネジ部は、補助ローラ挿入孔２ｂに設けられた雌ネジ部と螺合されており、例えば、当該雄ネジ部が当該雌ネジ部にねじ込まれる方向にアジャストナット１０を回転させると、補助ローラホルダ１５がネジ軸１側に移動される。このように、アジャストナット１０の位置を調整することにより、ネジ軸１に対する補助ローラ１２の自転軸の固定位置を調整することができる。本実施の形態におけるアジャストナット１０の中央には座グリが設けられており、当該座グリにはロックナット１１が挿入されている。

ロックナット１１は、補助ローラホルダ１５におけるネジ軸１の径方向外側に設けられた凸部を介して補助ローラホルダ１５と螺合されている。補助ローラホルダ１５にねじ込まれる方向にロックナット１１を回転させると、ロックナット１１と補助ローラホルダ１５との間にアジャストナット１０を固定することができる。このようにロックナット１１を回転させると、アジャストナット１０の回転が拘束されるので、ネジ軸１に対する補助ローラホルダ１５の位置、すなわち補助ローラ１２の自転軸の位置を固定することができる。

次に、上記のように構成される本実施の形態に係るリニアアクチュエータの効果を説明する。図１０は本発明の実施の形態であるリニアアクチュエータの自動調心機構の原理説明図である。

本実施の形態に係るリニアアクチュエータは、ネジ山３０のフランク面１ａと接触する転動面４ｃを有し、自転軸Ｄを中心に回転することで転動面４ｃを介してフランク面１ａ上を転動するメインローラ４と、このメインローラ４を自転軸Ｄを中心に回転可能に支持するローラ支持部材６と、転動面４ｃを介してフランク面１ａからメインローラ４に伝達される力に対してローラ支持部材６を揺動可能に支持し、メインローラ４が転動するとネジ軸１の周りをネジ軸１に対して相対的に回転するローラケージ２とを備えている。

ここで、図１０（ａ）に示すように、フランク面１ａと転動面４ｃとが寸法誤差などによって平行にならず、点Ｐ_３（代表点Ａ）を基準としてネジ軸１の外周側の点Ｐ_５で片当たりが生じている場合を考える。この図において、フランク面１ａから転動面４ａに作用する接触力Ｆ_１は、エッジ部における点Ｐ_５からフランク面１ａの断面輪郭に垂直に描かれた矢印として表されている。なお、厳密には、点Ｐ_５と接触力Ｆ_１を表す矢印とは、前述の如く図１０（ａ）の紙面外に若干偏位しているため、図１０（ａ）に示されたものはVII-VII断面へ投影されたものとなっている。

この図のようにＰ_５に接触力Ｆ_１が作用すると、接触力Ｆ_１は、揺動軸Ｈ（揺動軸ＨとVII-VII断面の交点Ｐ_４）から上方に偏位した位置を通過するので、揺動軸Ｈ周りにモーメントＭ１を発生させる。このようにモーメントＭ１が発生すると、ローラ支持部材６全体が図１０（ａ）における時計回転方向に回転し、転動面４ａにおいてＦ_１が作用したＰ_５とは反対側の部分（すなわち、Ｐ_３を基準としてネジ軸１の内周側）がフランク面１ａに近づけられる。そして、最終的には、ローラ支持部材６全体は、転動面４ｃとフランク面１ａとが線接触した状態で自動的に停止し、片当たり状態が緩和された状態となる。

なお、図１０（ａ）のように極端な片当たり状態でなくても、フランク面１ａと転動面４ａとの接触力の合力が点Ｐ_３よりも外周側にあれば、モーメントＭ１と同方向のモーメントが発生するので、接触力の合力を内周側に移動させる方向にローラ支持部材６全体が自動的に回転する。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）とは逆に、ネジ軸１の内周側で片当たりが生じている状態を示している。この図において、フランク面１ａから転動面４ａに作用する接触力Ｆ_２は、エッジ部における点Ｐ_６からフランク面１ａの断面輪郭に垂直に描かれた矢印として表されている。なお、厳密には、点Ｐ_６も接触力Ｆ_２を表す矢印も、前述の如く図１０（ｂ）の紙面外に若干偏位しているため、図１０（ｂ）に示されたものはVII-VII断面へ投影されたものである。

この図のようにＰ_６に接触力Ｆ_２が作用すると、接触力Ｆ_２は、Ｐ４から下方に偏位した位置を通過するので、揺動軸Ｈ周りにモーメントＭ２を発生させる。このようにモーメントＭ２が発生すると、ローラ支持部材６全体が図１０（ｂ）における反時計回転方向に回転し、転動面４ａにおいてＦ_１が作用したＰ_６とは反対側の部分（すなわち、Ｐ３を基準としてネジ軸１の外周側）がフランク面１ａに近づけられる。そして、最終的には、図１０（ａ）の例と同様に、ローラ支持部材６全体は、転動面４ｃとフランク面１ａとが線接触した状態で自動的に停止し、片当たり状態が緩和された状態となる。

図１０（ｃ）は、フランク面１ａと転動面４ａとの接触力の合力の作用位置がフランク面１ａの中央の点Ｐ_３にある状態を示している。この図において、フランク面１ａから転動面４ａに作用する接触力の合力Ｆ_３は、点Ｐ_３からフランク面１ａの断面輪郭に垂直に描かれた矢印として表されている。

この図のようにＰ_３に接触力Ｆ_３が作用すると、接触力Ｆ_３は、Ｐ_４を通過するので、揺動軸Ｈ周りのモーメントは発生させない。すなわち、フランク面１ａと転動面４ａとの接触力の合力が揺動軸Ｈを通過するときには、ローラ支持部材６の姿勢は安定しそのままの状態を維持するので、フランク面１ａと転動面４ａとの接触力の合力Ｆ_３の作用位置（Ｐ_３）は移動しない。このとき、フランク面１ａと転動面４ａとの接触力は実際には線分布荷重として作用するが、その合力位置を中央部であるＰ_３に維持することができるということは、荷重の線分布においてほぼ一定の均等な分布が可能になることを意味する。すなわち、このように合力位置を維持できれば、荷重分布における最大値を小さく抑えることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、上記図１０（ａ）〜（ｃ）で説明したように、部品の寸法誤差等によるガタで片当たりが生じても、ローラ支持部材６がローラケージ２に対して自動的に揺動するので、メインローラ４とネジ軸１を確実に線接触状態で接触させることができる。したがって、本実施の形態によれば、当初の設計通りにフレーキングに対する耐久性を改善することができる。

また、本発明によれば、電動リニアアクチュエータにおいて高い動力伝達効率と大推力に対する高い耐久性を同時に実現し、しかも、それらを構成部品の寸法誤差による影響を少なくしたロバスト性の非常に高い構成で実現することが可能となる。したがって、特に油圧シリンダ等のような大推力が必要な従来のアクチュエータの用途に電動リニアアクチュエータが適用し易くなるので、電動リニアアクチュエータの高い動力伝達効率によってそれらが用いられる機器の高効率化を図ることができる。

さらに、本実施の形態におけるリニアアクチュエータは、ネジ山３０を形成する２つのフランク面における一方のフランク面（本実施の形態ではフランク面１ａ）上を転動するメインローラ４の数が３つになるように構成されている。このように一方のフランク面上を転動するメインローラ４を３つ設けると、各部品に多少の寸法誤差があっても３つ全てのメインローラ４を一方のフランク面に確実に接触させることができる。さらに、片当たりが生じても各ローラ支持部材６は上記のように揺動するので、全てのメインローラ４を一方のフランク面と確実に線接触させることができる。すなわち、本実施の形態によれば、部品の寸法誤差による悪影響を回避し高いロバスト性を実現することができる。

ところで、本実施の形態に係るリニアアクチュエータは、左フランク面１ｂ上を転動する補助ローラ１２と、ネジ軸１に対する補助ローラ１２の自転軸Ｊの固定位置を調整する補助ローラ位置調整手段２０を備えており、アジャストナット１０を回転させることで補助ローラ１２の自転軸Ｊの固定位置を調整することができる。

このように備えた補助ローラ位置調整手段２０を利用すれば、上記のように揺動ピン７を利用して全てのメインローラ４が右フランク面１ａに線接触したことを確認した後に、その状態を保持しつつアジャストナット１０で全ての補助ローラ１２をネジ軸１の方向に移動させて左フランク面１ｂに接触させることにより、全てのメインローラ４及び補助ローラ１２を介してネジ軸１の軸方向及び径方向のガタが無い状態でローラケージ２をネジ軸１に装着することができる。なお、このとき、ローラケージ２の端面２ｅ，２ｆがネジ軸１の中心軸に対して垂直になるようにローラケージ２を固定することが好ましい。

また、上記のように各補助ローラ１２が左フランク面１ｂと接触した状態から更に各アジャストナット１０を所定量ねじ込むと、一定の予圧量を付加する事ができる。また反対に、上記の状態から各アジャストナット１０を逆方向（緩める方向）に所定量回転させれば、ネジ軸１とローラケージ２のバックラッシを一定に管理することもできる。すなわち、上記のように補助ローラ位置調整手段２０を設ければ、予圧量やバックラッシ量が構成部品の寸法誤差の集積によってばらつくことを抑制することができる。なお、本実施の形態では、補助ローラ位置調整手段２０として、ネジ軸１の径方向における自転軸Ｊの固定位置を調整するものを例に挙げて説明したが、ネジ軸１の軸方向における自転軸Ｊの固定位置を調整するものを利用しても良い。

次に本発明の他の実施の形態について説明する。
図１１は本発明の実施の形態であるリニアアクチュエータを備えるフォークリフトの側面図であり、図１２は図１１中のフォークリフトにおけるマスト７０付近の拡大図である。

図１１において、これらの図に示すフォークリフトは、走行装置及び操舵装置が装着された車体６０と、車体６０の前方に設けられたマスト７０と、マスト７０の内枠７２（図１２参照）に取り付けられたフォーク８０を備えている。

図１２において、マスト７０は、車体６０の前方に取り付けられた外枠７１と、外枠７１の内側に設けられ外枠７１に沿って昇降する内枠７２と、内枠７２を昇降させるリニアアクチュエータ７３を備えている。リニアアクチュエータ７３は、外枠７１に固定されたネジ軸１と、ローラケージ２と、ネジ軸１を回転駆動させるモータ（駆動源）７４を備えている。ローラケージ２は、内枠７２に取り付けられたブラケット７５を介して内枠７２を下方から支持している。なお、本実施の形態におけるモータ７４は、複数の歯車７６を介してネジ軸１に駆動力を伝達している。

上記のように構成されるフォークリフトにおいて、操舵装置を利用してモータ７４を駆動すると、ネジ軸１が回転駆動されて、ローラケージ２がネジ軸１に沿って移動する。これによりローラケージ２に支持された内枠７２が昇降されるので、フォーク８０を昇降させることができる。このように上記各実施の形態において説明したリニアアクチュエータは、フォークリフトにおけるフォーク８０の高さ調節手段として利用することができる。すなわち、本実施の形態によれば、従来は主に油圧アクチュエータが利用されてきたフォークリフトのアクチュエータとして、電動アクチュエータを利用することができる。

１…ネジ軸、１ａ…右フランク面、１ｂ…左フランク面、２…ローラケージ、２ａ…揺動ピン挿入孔、２ｂ…補助ローラ挿入孔、２ｃ…キー溝、２ｄ…円弧状切欠、２ｅ…端面、２ｆ…端面、３…メインローラ挿入孔、４…メインローラ、４ａ…回転軸、４ｃ…転動面、４ｄ…内側端面、４ｅ…転動部、５…転がり軸受（円錐コロ軸受）、６…ローラ支持部材、６ａ…揺動ピン挿入穴、７…揺動ピン、９…すべりキー、１０…アジャストナット、１１…ロックナット、１２…補助ローラ、１３…ニードル、１４…補助ローラ軸、１５…補助ローラホルダ、1６…固定ナット、２０…補助ローラ位置調整手段、３０…ネジ山、７３…リニアアクチュエータ、８０…フォーク
Ｄ…メインローラの自転軸、Ｅ…代表螺旋、Ｈ…揺動軸、Ｉ…代表平面Ｓ上において代表点Ｐを通過する直線であって接触区間Ｎと直交する直線、Ｊ…補助ローラの自転軸、Ｎ…線状の接触区間、Ｓ…代表平面

Claims (13)

1. ネジ軸と、
   このネジ軸の外周に螺旋状に形成されたネジ山と、
   このネジ山のフランク面と接触する転動面を有し、自転軸を中心に回転することで前記転動面を介して前記フランク面上を転動するメインローラと、
   このメインローラを前記自転軸を中心に回転可能に支持するローラ支持部材と、
   前記転動面を介して前記フランク面から前記メインローラに伝達される力に対して前記ローラ支持部材を揺動可能に支持し、前記メインローラが転動すると前記ネジ軸の周りを前記ネジ軸に対して相対的に回転するローラケージとを備えることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 請求項１に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   前記メインローラは、前記転動面において線状の接触区間で前記フランク面と接触可能であり、
   前記線状の接触区間における任意の１点を代表点とし、
   前記代表点を通過し前記ネジ軸と中心軸を共有する円筒面上に位置する螺旋であって、前記代表点を通過し前記ネジ軸と同一のリードを有するものを代表螺旋とし、
   前記代表点において前記代表螺旋と略直交する平面を代表平面とするとき、
   前記ローラ支持部材の揺動軸は、前記代表平面と交差しており、
   前記揺動軸と前記代表平面の交点は、前記代表平面上において前記代表点を通過する直線上又は当該直線の近傍に位置していることを特徴とするリニアアクチュエータ。
3. 請求項２記載のリニアアクチュエータにおいて、
   前記ローラ支持部材の揺動軸は、前記代表平面と略直交していることを特徴とするリニアアクチュエータ。
4. 請求項２に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   前記代表点は、前記線状の接触区間における略中央に位置することを特徴とするリニアアクチュエータ。
5. 請求項１に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   前記メインローラの自転軸は、当該自転軸を仮想的に延長した直線が前記ネジ軸と交差する姿勢、かつ前記転動面が接触する前記フランク面側に傾斜した姿勢で前記ローラ支持部材に支持されており、
   前記ネジ山のフランク面は、前記ネジ山の底部が頂部よりも大きくなるように前記ネジ軸の中心軸に対して傾斜しており、
   前記メインローラは、前記メインローラの自転軸方向における一定の範囲において前記メインローラの直径が前記ネジ軸に近づくにつれて小さくなっており、さらに、前記フランク面と線接触していることを特徴とするリニアアクチュエータ。
6. 請求項５に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   前記メインローラの直径は、前記メインローラの自転軸方向における一定の範囲において前記ネジ軸に近づくにつれて、前記傾斜したフランク面を有する前記ネジ山に合わせて一定の割合で小さくなっており、
   前記メインローラの転動面は、円錐の側面の一部で形成されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
7. 請求項１に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   前記ローラケージは、複数のローラ支持部材を支持しており、
   前記複数のローラ支持部材における各メインローラは、前記ネジ山に沿って前記ネジ軸の周方向に互いに間隔を介して配置されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
8. 請求項７に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   前記複数のローラ支持部材に支持された複数のメインローラのうち、前記ネジ山を形成する２つのフランク面における一方のフランク面上を転動するメインローラの数は３であることを特徴とするリニアアクチュエータ。
9. 請求項１に記載のリニアアクチュエータにおいて、
   自転軸を中心に回転可能に前記ローラケージによって支持され、前記メインローラが転動する前記フランク面に対向した他のフランク面上を転動する補助ローラと、
   前記ネジ軸に対する前記補助ローラの自転軸の固定位置を調整する補助ローラ位置調整手段とをさらに備えることを特徴とするリニアアクチュエータ。
10. 請求項９に記載のリニアアクチュエータにおいて、
    前記補助ローラ及び前記補助ローラ位置調整手段の数は、前記メインローラの数と同じであることを特徴とするリニアアクチュエータ。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載のリニアアクチュエータをフォークの高さ調節手段として備えることを特徴とするフォークリフト。
12. 請求項３に記載のリニアアクチュエータにおいて、
    前記代表点は、前記線状の接触区間における略中央に位置することを特徴とするリニアアクチュエータ。
13. 請求項１に記載のリニアアクチュエータにおいて、
    前記メインローラは、前記転動面において線状の接触区間で前記フランク面と接触可能であり、
    前記ローラ支持部材の揺動軸は、
    前記転動面を介して前記フランク面から前記メインローラに伝達される力が前記転動面における前記線状の接触区間の一端側に偏位して作用したとき、
    前記転動面における前記線状の接触区間の他端側を前記フランク面に近づける方向に前記メインローラを揺動させる位置に設置されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。

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