JP6546157B2 - ねじ棒を備える電動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、限られた行程に関して二次的に部材の角運動で回転運動を直線運動へ変換することによって駆動部材を移動させるリニア電動アクチュエータの分野に関する。

リニア電動アクチュエータは、エンジンに、または運転者の快適さを増進させる要素を移動するために有用な流体バルブを制御するために通常自動車分野で用いられている。（注入空気流量の調整、調整可能なサスペンション内の流体の流量の調整、フロントヘッドライト、またはフロントガラス上のヘッド・アップ表示システムの移動度など）

そのようなアクチュエータの一般的な原理は知られており、例えば国際特許出願ＷＯ２０１０／０２７７０１号公報に記載されている。この特許出願は、ただ１つのモータを備えるシステムに比べてより大きな力による並進運動でねじを移動させるために、反対方向に回転するモータ（複数）によって結合された逆のねじ山を有する２つのねじ部を備えるねじを有するアクチュエータが記載されている。逆のねじ山は、２つのモータによってねじに及ぼされたトルクをキャンセルする。

別の特許出願ＷＯ２０１３／０２７１９７号公報は、回転子と固定子とを有する電気モータと、回転子の回転軸に対応するＡ方向に少なくとも並進運動で移動される部材を動かすためのハウジングおよびナット−ねじシステムとを備える電動リニアアクチュエータを記載しており、そのナット−ねじシステムは、第１のねじ部を有するねじと、第１のねじ部に係合する相補的なねじ山を有して回転子を回転させるように回転子に結合している第１のナットとを備えている。ねじは第２のねじ部を有し、ナット−ねじシステムは第２のねじ部に係合する第２のナットを有する。第２のねじ部および第２のナットは、ねじの直線運動において、（第１のねじ部および第１のナットのみに起因する直線運動に対して）減速係数（reduction factor）を働かせるように構成されており、第１および第２のねじ部は互いに逆のねじ山を有している。

１実施形態においては、第１のねじ部は第２のねじ部に隣接している。

欧州特許第１５６１６３９号公報は、特に温度範囲が−４０℃から＋１２０℃で、粉塵や水および塩に耐えて、非常に過酷な環境条件においても高性能である、自動車のヘッドライトの水平または垂直位置を調整するためのアクチュエータを記載している。

欧州特許第１７９１２４２号公報は、ハウジング、モータ、およびナット−ねじシステムを備え、制御される部材の直線運動のためのアクチュエータを記載している。モータは、好ましくはステッピングモータであり、コイルを有する固定子と、永久磁石を有する回転子とを備えており、回転子はボールベアリングの形態をしているベアリングによってその両端のうちの１端で支持されており、ベアリングはハウジングに固定された案内溝（race）および回転子に固定された出力案内溝を有している。

国際特許出願ＷＯ０３／０４８５９９号公報は、２つの別々の同軸ねじのねじ山と相互作用するナット要素と、そのナット要素のねじのねじ山に対応する異なるねじ山をそれぞれ有する２つのねじとを備えるねじアクチュエータを記載している。

多くの用途においてアクチュエータは、通常、−４０℃から＋１４０℃までの非常に広い温度範囲で性能の重大な低下がないことを課す自動車分野での使用条件に従わなければならない。

先行技術の電動リニアアクチュエータは、大多数の場合においては端部で並進運動を起こすために運動変換に結合された回転モータから構成されている。最も単純な解決策は、事実、ベアリングまたはローラベアリングで回転させるように取り付けられた回転子を用いており、前記回転子が制御部材の並進運動を生成するナットおよびねじシステムを駆動している。

この解決策は小型化および過酷な環境条件における信頼性に関しては多数の利点を有するが、これらのアクチュエータは非常に低い温度（−２０℃から−４０℃の間）で使用されるや否や、ボールベアリングおよびベアリングハウジングに用いられているグリースの粘度の変化のために、これらアクチュエータの性能が著しく低下することが判明する。

この問題を解決するのは困難である。なぜならば、＋２５℃から＋１４０℃の間で流動性を維持して正確に潤滑するグリース、または−４０℃から＋２５℃まで同様である別のタイプのグリースを探すことは可能であるが、−４０℃から＋１４０℃の範囲全体に渡って粘度における大きな変化（これはベアリングの破壊を引き起こす）なしに潤滑（膜の破断がなく圧力耐性がある）機能を満足することのできる唯一のグリースは、シリコーンに基づいた希少な組成物に限定されている。

しかしながら、このシリコーン成分は、その脱ガスの影響および周辺要素の汚染のために自動車用途の大部分で禁止されている。

その結果、−４０℃から＋１４０℃までで使える自動車用リニアアクチュエータを提供すること、および、寒いときにベアリングを著しく破壊するグリースの大きな粘度に起因する性能の低下なく、製品の耐用年数を確保するために要求された潤滑性を提供すること、という大問題になる。現在のところ、先行技術のリニアアクチュエータの大部分は、回転モータ、および、ナットおよびねじシステムの組み合わせに基づいている。それらは、２５℃から−４０℃に移るときに、それらの力の半分以上を失う。これは、この損失を補償するためおよびユーザが期待する仕様を達成するために、モータの大型化につながる。

本発明によって提案される解決策は、例えばボールベアリングまたは平面ベアリングのような回転子の回転ガイドのための要素を取り除くこと、および螺旋タイプの結合によって回転子アセンブリを直接的にガイドすることによって、これらのリニアアクチュエータの構造を単純化することで構成され、これにより、低温での性能を実質的に極めて向上させる。

この目的のために、本発明は、その最も一般に受け入れられるものによれば、電動手段によって回転作動されるねじ棒を備える電動アクチュエータであって、前記ねじ棒はねじ領域によって両側に延びる駆動領域を有し、前記ねじ領域の１つは固定されたナットと協働し、前記ねじ領域の別の１つは前記ねじ領域の軸に平行な軸に沿って並進移動することができる制御部材に固定されたナットと協働し、前記ねじ棒が螺旋運動される電動アクチュエータに関する。

第１の変形によれば、前記電動手段は、前記駆動領域に機械的に接続された永久磁石を有する回転子と電磁気的に相互作用をする固定子で構成する。

好ましくは、前記永久磁石は制御部材を駆動するねじ軸に成形される。

第２の変形例によれば、前記電動手段は前記駆動領域を形成するギヤを駆動するウォームによって形成されている。

好ましくは、制御部材は、種々の角度位置を有してフランジと摺動結合するようになっており、電気モータによって移動が制御される制御部材の直線位置を独立して手動調整できるように構成されている。

本発明は、例示的な実施形態に対応する以下の図面を参照して以下の記載を読むことでより良く理解されるであろう。

第１の実施形態の縦断面図を示す。 第２の実施形態の縦断面図を示す。 第３の実施形態の縦断面図を示す。 第４の実施形態の縦断面図を示す。

本発明は、上述したような簡単なリニアアクチュエータ、または、それぞれより大きな減速を提供する上流または下流の運動変換の組み合わせ、または、回転レバーに結合された本発明によるリニアアクチュエータを構成する回転アクチュエータ、を利用することを可能にする４つの実施形態による例示的な実施例により記載される。

図１によって示される第１の実施形態に対応する解決策による電動アクチュエータは、以下を備える。
− 多相の固定子１と、
− 複数の磁石を有する回転子２と、
− ２つの異なるねじ部３、４を有する軸と
− 固定子１に対して固定されて前記固定子１に接続された第１の固定されたナット６を支持する第１のフランジ５と、
− 固定子１に対して固定された第２のフランジ７と、
− 第２のナット９を有して、第２のフランジ７において摺動結合によって回転することなく並進運動で移動することができる制御部材８と、を備える。

固定子１および回転する回転子２によって形成された電磁アセンブリは、回転部品としての回転子２の回転、および回転アセンブリの第１のねじ部４と並進運動部品としての第１のナット６との結合によって課された螺旋運動でねじ軸の中央部１０を駆動する。

ねじ軸の螺旋運動は、ねじ棒の第２のねじ部３と制御部材８に固定された第２のナット９との結合による純粋な並進運動で制御部材８を駆動する。

この解決策は、種々の利点を有する。

第１の利点は、現行のシステムと比較して、ねじ中心軸でいかなるタイプのピボット結合も除去していることである。これらのボールベアリングまたは回転ベアリングの除去は、グリースの粘度の増加に関連するトルクの損失を防ぐ。

回転運動を直線運動に変換する変換の効率は、単一のナットに結合しているねじの従来の解決策に一致している。ガイドでのトルクの利得（前の段落）は、従って直線制御部材での出力で利用可能な電力の観点からは、完全に保存されている。

中心軸の２つのねじ部が同じピッチで反対方向である場合には、出力部材の移動は回転アセンブリの２倍になり、固定子の周波数が同じときに出力部材の移動の速度を増加させることができる。これは、製造上の困難さのためにねじのピッチをもはや増加することができないときには利点を構成する。

アクチュエータの構造が大幅に簡単化され、部品の数が大幅に減少しているので、部品のコストのみならず組立機械のコストも製品組立時間も削減するという利点を有する。

寸法的には、中心軸は２つのねじ部３、４を有しており、出力部材８の前進を生成するために２つのナット６、９と共同して働く。このため、運動変換機能のために占有された長さは、回転ナットによって駆動される従来の単純なねじの長さよりも若干大きい。しかしながら、実際には、これは（自動車に要求される最も一般的な行程である約１０ｍｍに対して）、回転子ガイドの除去によって相殺される。リニアアクチュエータの全体的な大きさは、従って、空気計量またはヘッドライトの移動の用途に用いられる小さな行程に対しては同等である。

最終的には、先行技術の解決策において軸方向の力を吸収するために必要なボールベアリングの除去によって質量が大幅に低減され、さらに、この（本発明の）解決策は中心軸を支持するプラスチック・ナットの使用により最大限の効果を有する。金属部分は従って、固定子の磁気シート、およびプラスチック・ナットに良好なトライポロジー（tribology）を有して機能する中心軸に限られ、最小限に減少される。

この第１の実施形態に相当するリニアアクチュエータは、軸の中央領域１０に同軸上に固定された複数の磁石から構成された回転子アセンブリを駆動する２相の固定子を備えており、軸は、固定子にクランプされた後方のフランジに接続する第１のナットと係合している第１の後方のねじ部、および第２のナットを有する出力部材と係合している第２のねじ部を備えている。固定子に固定された前方のフランジは、出力部材が回転子アセンブリの螺旋運動によって課された並進運動に従うことを可能にする摺動結合を有している。

制御部材の端部で針は１０ｍｍの行程を移動する。これは、回転子アセンブリに対する相対移動の５ｍｍと、後方のフランジに接続されて固定されたナットに対する回転子アセンブリの移動の５ｍｍが加えられたものに分解される。この目的に対しては、磁石の長さは、固定子の長さに対して５ｍｍ延ばされているが、後者の軸方向の移動にも関わらず、固定子によって回転子に加えられたトルクを保存することができる。

同様に、制御部材は、その相対行程を作り出すために、中心軸が５ｍｍだけ貫通することを許容するための第２のナットに一致したリセスを有する。

回転子アセンブリは、２つの交差する螺旋結合だけでガイドされ、出力部材と前方のフランジとの間の摺動結合は、一定の関係がある限りガイドを行う。回転子が１回転するときに、固定されたナットのピッチに等しい値だけ前進する、とはいうものの、制御部材は、固定されたおよび移動可能なナットのピッチの合計に等しい値だけ前進する。２つのねじ部が反対方向に同じピッチを有しているときには、制御部材の見かけ上のピッチは、ねじのピッチの２倍に相当する。このタイプの設計は、大幅な小型化と、大幅な質量の低減とを要求されるアクチュエータに好ましい。また、先行技術の解決策の場合のような運動減速の上流での高レベルの寄生摩擦のために、トルクが低減されることがないので、フェライトのような低コスト磁石から得られる低温性能で、すなわち、低コストでアクチュエータを提供することが可能である。

図２によって示される第２の実施形態においては、前述のリニアアクチュエータは、回転アクチュエータを形成するために回転レバー２０と関連している。直線回転運動変換は、螺旋運動によって進み、ねじ−ナット結合での限られたガイドから恩恵を受ける回転子アセンブリによって達成される。この最初の段階は、限られた空間において高い運動減速を得ることを可能にし、加えて、軸方向の力を吸収する金属ねじが大きな剛性を有するので、キャリッジの位置決めの大きな正確さを達成することができる。このキャリッジは、そのとき、限られた角度で特徴付けられているが、大きなトルクも大変正確な位置決めも提供する回転レバー２１に自身の動きを伝達する。これは単純で安価な解決策も有している。

最終的にこのアクチュエータは、現行の解決策に比べて低温で相対的に安定した性能を有する。それは、現行の解決策は、摩耗を引き起こすことで終わる金属／金属摩擦のために自動車に要求される耐用年数を達成することができないガイド、すなわち、低温で破壊するボールベアリングによる回転子またはねじのガイド、または、ばねを介したボール上の円錐形を有する圧力ガイド、に基づいているからである。

図３によって示される第３実施形態は、特許請求の範囲に記載された電動モータと螺旋形の単一の運動変換との間の変速機（gearbox）の利用によって前述の２つの例示的な実施形態から区別されるリニアアクチュエータに関連する。

多相モータは、ウォーム３０が埋設された回転子を駆動し、それ（回転子）は、２つの異なるねじ部４、６を有する軸の中央領域１０において、固定的におよび同軸上に取り付けられたギヤ３１を駆動する。駆動する回転子がギヤ３１をウォーム３０を通して回転させるとき、ハウジングに対して固定された第１のナットは、軸およびギヤ３０によって形成されたアセンブリを螺旋運動させて進ませることができ、そのとき、出力部材の後方に配置されている第２のナットの第２の螺旋結合によって出力部材を駆動する。前方のフランジにおいて、調整ハブによってその（出力部材の）回転が阻止されるので、出力部材の摺動結合はこの出力部材の純粋な並進運動を提供する。

調整ハブは、前方のフランジの角度位置を変更することができる歯の円錐状のセットを有している。前方のフランジのこの回転は、モータが停止してウォームが中心軸の回転を阻止しているときに、中心軸の前方のねじ部に螺合する出力部材の回転を課す。この解決策はモータの回転によって決定される、いわゆる電気的な行程から独立している出力部材の直線予備位置を実現することを可能にする。このアクチュエータは、従ってモータ制御によって課された電気的な行程に並列に、機械的な手作業の予備的調整行程を有する。このタイプの解決策は、他の運転者の眼を眩ませることを防止するために、特に、自動車のフロントヘッドライトの高さを調整するためのアクチュエータとして用いられており、それは工場での自動車の最終アセンブリ時に手作業で調整されており、およびモータが路上の自動車の、またはその加速の際のライトの高さの自動調整を提供するためのアクチュエータとして用いられている。

図４は第１の実施形態と同様な実施形態を示している。それは、２つのねじ部を有して中心軸上に成形された磁石を構成する簡単な回転子アセンブリに関連するものに基づいており、それらのねじ部のうちの一つは固定子に接続された固定されたナットと共同して働き、第２のねじ部は出力部材と共同して働き、出力部材はナットを有しており、前方のフランジにおいて摺動結合を介して並進運動することができるからである。しかしながら、この実施形態においては螺旋角度は同一方向であり、２つのねじ部のピッチのみが異なっている。固定されたナットによる結合によって課せられた回転子の螺旋運動は、従って２つのねじのピッチの相対的な値に基づいて、出力部材の外側方向へのまたはその逆方向への移動を引き起こす。しかし力の比によっては止められることもある。

これは、第１のねじ部がピッチｐ１を有し、第２のねじ部がピッチｐ２を有していれば、回転子の出力部材の１回転当たりの移動はｐ２−ｐ１となるからである。これは従って、同様なピッチの値で動作させることによって移動を大幅に減少させ、第１の実施形態と比較して制御部材の出力を増幅する可能性を生じさせる。

加えて、この場合においては、相対的に高い螺旋角度（ピッチの違いのみが力比（force ratio）を決める）で動作させることができるが、実質的に増加された螺旋角度は従って回転から並進運動への変換効率を増加し、モータの大きさの最適化を達成する。例えば、温度調節弁内の流体を分配するなど、低温で小さな行程で高い推力を有するアクチュエータができるようにするために、第１の実施形態による解決策に異なるねじ山を有するねじのコンセプトを結びつける場合である。

本発明は、２つのねじ部を有してそこでの螺旋運動が出力部材の並進運動を作り出す軸を含んでいるリニアアクチュエータの種々の設計に及ぶ。これらの設計は、以下の事実によって特徴づけられる。
− 制御部材は、アクチュエータのハウジングと摺動結合している。
− 制御部材の直線移動を引き起こす可動アセンブリは、２つの螺旋結合のみによってガイドされる。
− 例示的な実施例によって記載した第１の２つの実施形態の場合、モータの磁石は螺旋運動で駆動される。その磁石は制御部材を駆動するねじ軸上に成形されている。
− 記載した第３の実施形態の場合、螺旋運動における中心軸はウォームおよびギヤタイプの変速機によって駆動される。制御部材は、種々の角度位置においてフランジと摺動結合するようになっており、電気モータによって移動が制御される制御部材の直線位置を独立して手動調整できるように構成されている。

Claims (3)

1. 電動手段によって回転作動されるねじ棒を備える電動アクチュエータであって、
   前記ねじ棒は、第１および第２ねじ領域（４，６）を両側に備える駆動領域（１０）を有して軸方向に延びて構成されるとともに、軸方向に移動可能であり、
   前記第１ねじ領域は固定された第１ナットと協働し、
   前記第２ねじ領域は前記第１および第２ねじ領域の軸に平行な軸に沿って並進移動することができる制御部材に取り付けられた第２ナットと協働し、
   前記第１および第２ねじ領域はねじ方向が反対に形成され、
   前記電動手段が、電動回転駆動されるウォーム（３０）と、前記駆動領域に設けられて前記ウォームと噛合して前記ウォームにより回転駆動されるギヤ（３１）とを有して構成され、
   前記ねじ棒の軸方向移動に対して、前記ギヤ（３１）が前記ウォーム（３０）と噛合したまま前記ねじ棒と一緒に軸方向に移動可能であり、
   前記ねじ棒が前記電動手段によって回転作動されたときに、前記ねじ棒は、前記第１ナットと共働する前記第１ねじ領域の螺旋運動により軸方向に移動され、前記第２ナットは、前記ねじ棒による軸方向移動に加えて前記第２ねじ領域との螺旋運動により軸方向に移動されて前記制御部材を軸方向に移動させることを特徴とする電動アクチュエータ。
2. 前記制御部材とフランジとを種々の角度位置で摺動結合することで、前記制御部材の直線位置は、電気モータによる移動制御とは独立して手動調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータ。
3. 前記ねじ領域（４，６）のピッチが異なることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の電動アクチュエータ。

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