JP7477631B2

JP7477631B2 - アクチュエータ

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Publication number: JP7477631B2
Application number: JP2022553294A
Authority: JP
Inventors: 忠彦加藤
Original assignee: Univance Corp
Current assignee: Univance Corp
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2024-05-01
Anticipated expiration: 2040-09-30
Also published as: WO2022070298A1; JPWO2022070298A1

Description

本発明はトルクをスラスト力に変換するアクチュエータに関するものである。

第１要素と第２要素との相対回転に伴い第１要素と第２要素とが軸方向に相対移動する変換装置を用いたアクチュエータとして、特許文献１には、第１要素に設けた第１被動ギヤ及び第２要素に設けた第２被動ギヤに、モータのトルクが伝わる駆動ギヤをかみ合わせたアクチュエータが開示されている。特許文献１に開示の技術では、駆動ギヤと第１被動ギヤとのギヤ比と駆動ギヤと第２被動ギヤとのギヤ比とが異なるので、モータを駆動すると第１要素と第２要素とが相対回転し、モータのトルクが、第２要素が出力するスラスト力に変換される。第１要素と第２要素との間に摩擦が大きいねじが設けられると、ねじの摩擦によって、モータがトルクを出力し続けなくても、第２要素が反力で押し戻される量を低減し、第２要素の反対方向の回転を低減できる。

特公平８－１９９７１号公報

しかし上記技術では、ねじの摩擦によって、トルクをスラスト力に変換するときに動力損失が生じるという問題点がある。

本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、トルクをスラスト力に変換するときの動力損失を低減できるアクチュエータを提供することを目的としている。

この目的を達成するために本発明のアクチュエータは、駆動ギヤからトルクを発生するトルク発生装置と、駆動ギヤにかみ合う第１被動ギヤ及び第２被動ギヤがそれぞれ設けられた第１要素および第２要素を含み、第１要素と第２要素との相対回転により第１要素および第２要素が軸方向に相対移動し駆動ギヤのトルクをスラスト力に変換する変換装置と、を備える。駆動ギヤと第１被動ギヤとのギヤ比と駆動ギヤと第２被動ギヤとのギヤ比とは異なり、駆動ギヤから第１被動ギヤ及び第２被動ギヤへの第１の動力伝達効率は、第１被動ギヤ及び第２被動ギヤから駆動ギヤへの第２の動力伝達効率よりも高い。

請求項１記載のアクチュエータによれば、トルク発生装置のトルクが駆動ギヤから変換装置の第１被動ギヤ及び第２被動ギヤに伝えられる。駆動ギヤと第１被動ギヤとのギヤ比と駆動ギヤと第２被動ギヤとのギヤ比とが異なるので、第１要素と第２要素との相対回転により第１要素および第２要素が軸方向に相対移動して、変換装置は駆動ギヤのトルクをスラスト力に変換する。駆動ギヤから第１被動ギヤ及び第２被動ギヤへの第１の動力伝達効率は、第１被動ギヤ及び第２被動ギヤから駆動ギヤへの第２の動力伝達効率よりも高いので、駆動ギヤから第１被動ギヤ及び第２被動ギヤへ伝わるトルクをスラスト力に変換するときの動力損失を低減できる。第２の動力伝達効率が第１の動力伝達効率より低いので、第１被動ギヤ及び第２被動ギヤから駆動ギヤへ伝わるトルクによる駆動ギヤの回転を低減し、トルク発生装置がトルクを出力し続けなくても、第２要素の反対方向の回転を低減できる。

請求項２記載のアクチュエータによれば、第２の動力伝達効率は負である。よって第１被動ギヤ及び第２被動ギヤから駆動ギヤへ伝わるトルクによる駆動ギヤの回転を防止できる。よって請求項１の効果に加え、トルク発生装置がトルクを出力し続けなくても変換装置は停止位置を保持できる。

請求項３記載のアクチュエータによれば、第１の動力伝達効率と第２の動力伝達効率との差は、駆動ギヤ、第１被動ギヤ及び第２被動ギヤの諸元により設定される。よって請求項１又は２の効果に加え、動力伝達効率の設定を容易にできる。

請求項４記載のアクチュエータによれば、第１の動力伝達効率と第２の動力伝達効率との差は、駆動ギヤ、第１被動ギヤ及び第２被動ギヤの歯面の粗さにより設定される。よって請求項１から３のいずれかの効果に加え、動力伝達効率の設定を容易にできる。

（ａ）は一実施の形態におけるアクチュエータのスケルトン図であり、（ｂ）は変換装置の部分断面図である。（ａ）は駆動ギヤから第１被動ギヤ及び第２被動ギヤへトルクが伝わるときの歯のかみ合いを示す斜視図であり、（ｂ）は変換装置の部分断面図である。（ａ）は第１被動ギヤ及び第２被動ギヤから駆動ギヤへトルクが伝わるときの歯のかみ合いを示す斜視図であり、（ｂ）は変換装置の部分断面図である。互いにかみ合う駆動ギヤ及び第１被動ギヤの正面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１（ａ）は一実施の形態におけるアクチュエータ１０のスケルトン図である。アクチュエータ１０はトルクをスラスト力に変換する装置であり、トルク発生装置１１及び変換装置２０を備えている。本実施形態ではアクチュエータ１０が出力するスラスト力は、摩擦クラッチ３０に加えられる。

トルク発生装置１１は、モータ１２と、モータ１２のトルクを発生する駆動ギヤ１３と、を備えている。本実施形態ではモータ１２は電気モータであり、駆動ギヤ１３はモータ１２の回転軸に取り付けられている。本実施形態では駆動ギヤ１３は第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５に分かれている。第１ギヤ１４の歯数は第２ギヤ１５の歯数と僅かに異なる。

変換装置２０は、第１要素２１と第２要素２４との相対回転によって、駆動ギヤ１３のトルクをスラスト力に変換する装置である。第１要素２１及び第２要素２４は、第１軸３１に相対回転可能に支持されている。第１要素２１には、第１ギヤ１４にかみ合う第１被動ギヤ２２が設けられている。第２要素２４には、第２ギヤ１５にかみ合う第２被動ギヤ２５が設けられている。第１ギヤ１４と第１被動ギヤ２２とのギヤ比は、第２ギヤ１５と第２被動ギヤ２５とのギヤ比と僅かに異なる。本実施形態では、第１ギヤ１４と第１被動ギヤ２２のギヤ比は、第２ギヤ１５と第２被動ギヤ２５のギヤ比より僅かに小さい。第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５に駆動ギヤ１３がトルクを伝えると、第１要素２１及び第２要素２４は僅かに相対回転する。第１要素２１はベアリング２８により、第１軸３１の周りを回転可能に配置され、第１軸３１に対する軸方向（スラスト方向）の位置が固定されている。

図１（ｂ）は変換装置２０の部分断面図である。第１軸３１（図１（ｂ）に示さず）は、図１（ｂ）において左右に延びている。変換装置２０は、第１要素２１に設けた第１カム面２３と第２要素２４に設けた第２カム面２６との間に転動体２７が少なくとも一つ配置されている。転動体２７はボールやローラが例示される。第１軸３１の軸方向に、第１カム面２３は第２カム面２６と対向している。転動体２７は摩擦によって第１カム面２３と第２カム面２６との間を斜面に沿って転がる。本実施形態では転動体２７は第１カム面２３と第２カム面２６との間に複数配置されている。

図１（ａ）に戻って説明する。摩擦クラッチ３０は、第１軸３１と同軸上にある第２軸３２と第１軸３１との間において動力の伝達・遮断を行う装置である。摩擦クラッチ３０は、第２軸３２に結合したドラム３３と、ドラム３３の径方向の内側に配置されると共に第１軸３１に結合したドラム３４と、ドラム３３とドラム３４との間でトルクを伝達するクラッチ板３５と、クラッチ板３５の相対運動面を押し付ける押付部材３６と、クラッチ板３５によるドラム３３，３４間の動力の伝達を遮断する方向の力を押付部材３６に加える戻しばね３７と、を備えている。押付部材３６と第２要素２４との間にはベアリング２９が配置されている。戻しばね３７は、押付部材３６及びベアリング２９を介して、第２要素２４を転動体２７に押し付ける。

図２（ａ）は駆動ギヤ１３（第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５）から第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５へトルクが伝わるときの歯のかみ合いを示す斜視図である。図２（ａ）では、第１ギヤ１４、第２ギヤ１５、第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５の歯がそれぞれ１つずつ図示されている（図３（ａ）においても同じ）。図２（ａ）に示す矢印Ｄは第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５の回転方向であり、矢印Ｎは第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５の回転方向である（図３（ａ）及び図４においても同じ）。

図２（ｂ）は駆動ギヤ１３から第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５へトルクが伝わるときの変換装置２０を示している。図２（ｂ）に示す矢印Ｒ１，Ｒ２の向きは、それぞれ第１要素２１及び第２要素２４の回転方向を示し、矢印Ｒ１，Ｒ２の長さは第１要素２１及び第２要素２４の速度を示している。図２（ｂ）に示す矢印Ｆ１は第２要素２４が出力するスラスト力を示している。

モータ１２に電流を流してモータ１２を回転させ、第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５が矢印Ｄ方向に回転すると、第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５はそれぞれ第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５にトルクを伝える。第１ギヤ１４の回転方向の歯面３８は、第１被動ギヤ２２の回転方向の逆の歯面４２に当たり、第１要素２１と第２要素２４との相対回転により、第２ギヤ１５の回転方向の逆の歯面４１は、第２被動ギヤ２５の回転方向の歯面４５に当たる。

歯面間にはバックラッシがあるので、第１被動ギヤ２２の回転方向の歯面４３は、第１ギヤ１４の回転方向の逆の歯面３９に当たることなく第１被動ギヤ２２は回転する。同様に第２被動ギヤ２５の回転方向の逆の歯面４４は、第２ギヤ１５の回転方向の歯面４０に当たることなく第２被動ギヤ２５は回転する。

即ち、第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５が第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５を回すときは、図２の歯面４２，４５間の距離が長くなるように第１要素２１と第２要素２４とが僅かに相対回転し、第１ギヤ１４の回転方向の歯面３８、第２ギヤ１５の回転方向の逆の歯面４１、第１被動ギヤ２２の回転方向の逆の歯面４２、及び、第２被動ギヤ２５の回転方向の歯面４５に力が加わる。

第１要素２１と第２要素２４との相対回転により、第１カム面２３及び第２カム面２６を転動体２７が転がる。その結果、第１要素２１及び第２要素２４は軸方向に相対移動するが、第１要素２１は軸方向に移動できないので、第２要素２４がベアリング２９を介して押付部材３６にスラスト力Ｆ１を加える。これによりクラッチ板３５の相対運動面が押し付けられ、摩擦クラッチ３０が係合し、第１軸３１と第２軸３２との間に動力が伝達される。

モータ１２に流す電流を減らす又はモータ１２に流す電流を止め、摩擦クラッチ３０に変換装置２０が加えるスラスト力Ｆ１が、摩擦クラッチ３０の反力よりも小さくなると、摩擦クラッチ３０はベアリング２９を介して第２要素２４を軸方向に押し戻す。摩擦クラッチ３０の反力には、クラッチ板３５の反力および戻しばね３７の復元力が含まれる。

図３（ａ）はモータ１２を停止し、摩擦クラッチ３０の反力により第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５から駆動ギヤ１３（第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５）へトルクが伝わるときの歯のかみ合いを示す斜視図である。図３（ｂ）は第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５から駆動ギヤ１３へトルクが伝わるときの変換装置２０の部分断面図である。図３（ｂ）に示す矢印Ｆ２は、第２要素２４に加わる摩擦クラッチ３０の反力を示している。図３（ｂ）に示す矢印Ｔ２は摩擦クラッチ３０の反力によって第２要素２４に伝わるトルクを示し、矢印Ｔ１は摩擦クラッチ３０の反力によって第１要素２１に加わるトルクを示している。

摩擦クラッチ３０の軸方向の反力Ｆ２を受けた転動体２７は、反力Ｆ２を、それぞれ第２要素２１及び第２要素２４の逆向きのトルクＴ１，Ｔ２に変換する。これにより第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５は第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５にトルクを伝える。第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５が第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５を回そうとするときは、第１被動ギヤ２２の回転方向の歯面４３が、第１ギヤ１４の回転方向の逆の歯面３９に当たり、第１要素２１と第２要素２４との相対回転により、第２被動ギヤ２５の回転方向の逆の歯面４４が、第２ギヤ１５の回転方向の歯面４０に当たる。

歯面間にはバックラッシがあるので、第１被動ギヤ２２の回転方向の逆の歯面４２は、第１ギヤ１４の回転方向の歯面３８に当たることなく第１被動ギヤ２２は回転しようとする。同様に第２被動ギヤ２５の回転方向の歯面４５は、第２ギヤ１５の回転方向の逆の歯面４１に当たることなく第２被動ギヤ２５は回転しようとする。

即ち、第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５が第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５を回そうとするときは、図３（ａ）の歯面４３，４４間の距離が長くなるように第１要素２１と第２要素２４とが僅かに相対回転し、第１ギヤ１４の回転方向の逆の歯面３９、第２ギヤ１５の回転方向の歯面４０、第１被動ギヤ２２の回転方向の歯面４３、及び、第２被動ギヤ２５の回転方向の逆の歯面４４に力が加わる。

アクチュエータ１０は、第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５（駆動ギヤ１３）から第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５への第１の動力伝達効率が、第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５から第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５への第２の動力伝達効率よりも高くなるように設定されている。これにより第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５から第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５へ伝わるトルクをスラスト力に変換するときの動力損失を低減できる。よって定格トルクが小さいモータ１２を採用できる。

さらに第２の動力伝達効率が第１の動力伝達効率より低いので、第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５から第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５へ伝わるトルクによる第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５の回転を低減できる。よって変換装置２０がスラスト力を出力した後、そのスラスト力を維持するためにトルク発生装置１１が発生するトルクを小さくできる。その結果、摩擦クラッチ３０の反力を受けた第２要素２４の反対方向の回転を低減するためのモータ１２の消費電力を低減できる。

本実施形態では、第２の動力伝達効率は負に設定されている。よって変換装置２０がスラスト力を出力した後、そのスラスト力を維持するためにモータ１２に電流を流さなくても、第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５が回転しないようにできる。その結果、モータ１２の消費電力をさらに低減できる。

第１の動力伝達効率と第２の動力伝達効率との差は、例えば第１ギヤ１４、第２ギヤ１５、第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５の諸元や、歯面３８，３９，４０，４１，４２，４３，４４，４５の表面粗さにより設定できる。

図４は互いにかみ合う駆動ギヤ１３（第１ギヤ１４）及び第１被動ギヤ２２の正面図である。本実施形態では第１ギヤ１４及び第１被動ギヤ２２はインボリュート歯車である。歯面がかみ合っている期間中の摩擦係数は一定であり、２対かみ合いをしている歯車の法線力は２個の歯に均等に配分されるという仮定の下、第１ギヤ１４と第１被動ギヤ２２との間の動力伝達係数ηは（式１）で表される。

但し、μは歯面の摩擦係数、αはピッチ点Ｐにおける歯面の圧力角、ｒ_１は駆動側のギヤのピッチ円半径、ｒ_２は被動側のギヤのピッチ円半径、ｇ_ｍは近寄りかみ合い長さ、ｇ_ｎは遠退きかみ合い長さである。（式１）のｇ_ｍ＋ｇ_ｎはかみ合い長さＬであり、かみ合い長さＬは（式２）で表される。

但し、ｒ_ｋ１は駆動側のギヤの歯先円半径、ｒ_ｋ２は被動側のギヤの歯先円半径、ｒ_ｇ１は駆動側のギヤの基礎円半径、ｒ_ｇ２は被動側のギヤの基礎円半径、Ａはギヤの中心Ｃ１，Ｃ２間の距離である。

駆動側のギヤは、第１ギヤ１４が第１被動ギヤ２２を回そうとするときは、第１ギヤ１４が駆動側のギヤであり、第１被動ギヤ２２が第１ギヤ１４を回そうとするときは、第１被動ギヤ２２が駆動側のギヤである。同様に、第２ギヤ１５が第２被動ギヤ２５を回そうとするときは、第２ギヤ１５が駆動側のギヤであり、第２被動ギヤ２５が第２ギヤ１５を回そうとするときは、第２被動ギヤ２５が駆動側のギヤである。

（式１）により、動力伝達係数ηは摩擦係数μ、圧力角α、ピッチ円半径ｒ_１，ｒ_２に依存することがわかる。圧力角α、ピッチ円半径ｒ_１，ｒ_２はギヤの諸元の一種である。摩擦係数μは歯面の表面粗さに依存する。

動力伝達係数ηを大きくするには、互いに接触する歯面の摩擦係数μを小さくする、互いに接触する歯面の圧力角αを小さくする、及び、ピッチ円半径ｒ_１，ｒ_２を大きくするという設定のうちから選択される１つ以上の設定が有効である。反対に動力伝達係数ηを小さくするには、互いに接触する摩擦係数μを大きくする、互いに接触する歯面の圧力角αを大きくする、及び、ピッチ円半径ｒ_１，ｒ_２を小さくするという設定のうちから選択される１つ以上の設定が有効である。各ギヤの諸元や歯面の粗さを設定することにより、動力伝達係数ηを制御できる。

第１ギヤ１４が第１被動ギヤ２２を駆動するときの第１の動力伝達係数η_１、第１被動ギヤ２２が第１ギヤ１４を駆動するときの第２の動力伝達係数η_２、第２ギヤ１５が第２被動ギヤ２５を駆動するときの第１の動力伝達係数η_３、第２被動ギヤ２５が第２ギヤ１５を駆動するときの第２の動力伝達係数η_４をそれぞれ求める。η_１＞η_２且つη_３＞η_４となるように各ギヤの諸元や摩擦係数μを設定する。特にη_２＜０且つη_４＜０となるように各ギヤの諸元や摩擦係数μを設定するのが好ましい。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

実施形態では、駆動ギヤ１３の第１ギヤ１４及び第２ギヤ１５が別々に設けられている場合、即ち第１被動ギヤ２２の歯面および第２被動ギヤ２５の歯面に当たる駆動ギヤ１３の歯面が２つに別れている場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。第１被動ギヤ２２の歯面および第２被動ギヤ２５の歯面に当たる駆動ギヤ１３の歯面を連続にすることは当然可能である。

実施形態では、モータ１２の回転軸に駆動ギヤ１３が取り付けられている場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えばモータ１２の回転軸と駆動ギヤ１３との間に別のギヤやチェーン等を介在させ、それらを介してモータ１２のトルク駆動ギヤ１３に伝えることは当然可能である。

実施形態では、第１要素２１及び第２要素２４の外周にそれぞれ第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５が設けられる場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。第１要素２１と第１被動ギヤ２２とを接続する部材や第２要素２４と第２被動ギヤ２５とを接続する部材を設けることは当然可能である。このような部材を設けることにより、例えば第１被動ギヤ２２や第２被動ギヤ２５をリングギヤにして、リングギヤの内歯と駆動ギヤとをかみ合わせることができる。同様に駆動ギヤ１３をリングギヤにして、リングギヤの内歯と第１被動ギヤ２２及び第２被動ギヤ２５とをかみ合わせることができる。

実施形態では摩擦クラッチ３０が、係合面が円板形状のディスククラッチの場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。他の摩擦クラッチを採用することは当然可能である。他の摩擦クラッチとしては例えばドラムクラッチ、円すいクラッチが挙げられる。ディスククラッチにおいても、単板クラッチ、多板クラッチ及び複板クラッチを採用可能である。

実施形態では、変換装置２０が摩擦クラッチ３０にスラスト力を加えると摩擦クラッチ３０が係合する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えばばねの弾性力によって摩擦クラッチ３０が係合するようにばねを配置し、変換装置２０が発生するスラスト力によってばねの弾性力を相殺し、摩擦クラッチ３０による動力の伝達を遮断するようにすることは当然可能である。

実施形態では、摩擦クラッチ３０の動力の伝達・遮断を変換装置２０が行うアクチュエータ１０について説明したが、摩擦クラッチ３０に代えて、他の装置の機能の切替えを変換装置２０が行うようにすることは当然可能である。他の装置としては、例えば変速機の同期装置、チェーンベルト式無段変速機のプーリ押さえ機構、トロイダル無断変速機のディスクを加圧する加圧装置が挙げられる。

１０アクチュエータ
１１トルク発生装置
１３駆動ギヤ
１４第１ギヤ（駆動ギヤ）
１５第２ギヤ（駆動ギヤ）
２０変換装置
２１第１要素
２２第１被動ギヤ
２４第２要素
２５第２被動ギヤ
３８，３９，４０，４１，４２，４３，４４，４５歯面

Claims

駆動ギヤからトルクを発生するトルク発生装置と、
前記駆動ギヤにかみ合う第１被動ギヤ及び第２被動ギヤがそれぞれ設けられた第１要素および第２要素を含み、前記第１要素と前記第２要素との相対回転により前記第１要素および前記第２要素が軸方向に相対移動し前記駆動ギヤのトルクをスラスト力に変換する変換装置と、を備え、
前記駆動ギヤと前記第１被動ギヤとのギヤ比と前記駆動ギヤと前記第２被動ギヤとのギヤ比とが異なり、
前記駆動ギヤ、前記第１被動ギヤ及び前記第２被動ギヤはインボリュート歯車であり、
前記駆動ギヤの外周の歯面から前記第１被動ギヤ及び前記第２被動ギヤの外周の歯面への第１の動力伝達効率は、前記第１被動ギヤ及び前記第２被動ギヤの外周の歯面から前記駆動ギヤの外周の歯面への第２の動力伝達効率よりも高いアクチュエータ。
前記第２の動力伝達効率は負である請求項１記載のアクチュエータ。
前記第１の動力伝達効率と前記第２の動力伝達効率との差は、前記駆動ギヤ、前記第１被動ギヤ及び前記第２被動ギヤの諸元により設定される請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
前記第１の動力伝達効率と前記第２の動力伝達効率との差は、前記駆動ギヤ、前記第１被動ギヤ及び前記第２被動ギヤの歯面の粗さにより設定される請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータ。